Обзор литературы

1. Обзор литературы

 

В условиях суверенности Республики Казахстан неотъемлемой частью построения эффективно действующей рыночной экономики является продовольственная безопасность страны (Назарбаев Н.А., 1997, 1999). Одним из основных показателей экономики республики, её независимости и самостоятельности всегда было и остается производство зерна. Для производства зерна Казахстан располагает уникальными природными условиями, которые обеспечивают возможность возделывания здесь сильных и твердых сортов пшеницы с высоким технологическим качеством.

Обработка почвы является важнейшим агротехническим мероприятием в земледелии, как по энергоемкости, так и по влиянию на ее плодородие и урожайность возделываемых культур.

Общей научной основой обработки почвы служат известные законы земледелия - законы максимума и взаимообусловленного действия факторов жизни растений. По закону максимума все системы обработки почвы в засушливых районах должны быть направлены в первую очередь на улучшение ее водно-физических свойств для максимального накопления и сбережения выпадающих осадков. Согласно второму закону, все приемы обработки, способствующие улучшению водно-физических свойств, одновременно положительно влияет на ее пищевой режим, через усиление микробиологических процессов и на очищение от сорняков, что в конечном итоге обуславливает более производительное использование имеющихся ограниченных запасов почвенной влаги культурными растениями.

Представленные задачи и их успешное решение в засушливых условиях региона определяют почвозащитную водо- и ресурсосберегающую направленность местных систем обработки почвы. Они слагаются из сочетаний различных агротехнических приемов, технология воздействия которых на плодородие почвы сводится к немногочисленным операциям. Среди них наибольшее значение имеют рыхление (крушение) оборачивание, выравнивание, уплотнение (прикатывание), подрезание сорняков. Особое значение принадлежит сохранение стерни и других пожнивных остатков на поверхности почвы для защиты ее от эрозии и задержания снега (Нарциссов, 1976).

Большой вклад в развитие научных основ обработки почвы для засушливых районов сделали академики Т.С. Мальцев и А.И. Бараев, положившие начало массовому освоению бесплужных систем обработки почвы в засушливых районах страны.

Научными учреждениями накоплено большое количество данных, освещающих данную проблему. Правильно сформированные системы обработки в севооборотах должны обеспечить оптимальные агрофизические, агрохимические и биологические свойства. Особое внимание в последние годы уделяется вопросам минимализации обработки почвы под зерновые культуры.

По данным научных учреждений оптимальная плотность почвы для яровой пшеницы на обыкновенных черноземах составляет от 1,0 до 1,2 г/см³, на пожнивных черноземах и темно-каштановых почвах - от 1,2 до 1,3 г/см³. При рыхлом сложении (0,9 г/см³) и очень плотном (1,5 г/см³) урожайность яровой пшеницы снижается (1, 2, 3).

По наблюдениям, выполненным В.А. Корчагиным (4) благоприятное развитие яровой пшеницы во все годы отмечено на обыкновенном черноземе в довольно большом интервале плотности от 1,1 до 1,3 г/см³. Снижение урожая зерна отмечено только при крайних значениях плотности 0,9-1,4 г/см³.

В зависимости от механического состава почвы черноземные почвы имеют равновесную плотность пахотного слоя от 1,0 до 1,3 г/см³. В более глубоких слоях, где нет хорошо выраженной структуры, объемная масса достигает 1,5-2,0 г/см³.

Совпадение оптимальной и ровновесной плотности почвы, имеющее место, как на черноземных, так и темно-каштановых почвах позволяют судить о возможности минимализации обработки почвы замены глубоких обработок мелкими.

Регулирование сложения почвы также обеспечивается сокращением непродуктивного испарения влаги, что в условиях засушливого климата приобретает особое значение.

По исследованиям, проведенными Д.И. Буровым (2) и Г.И. Казаковым (3) наиболее благоприятное строение пахотного слоя отмечается при соотношении капиллярных промежутков к некапиллярным в пределах 1:1,5-2 при общей скважности почвы 60-65%. Для снижения потерь воды на испарение важно также, чтобы верхний слой почвы состоял в основном из механических комочков размером 0,25-3 мм.

Благоприятные условия для сокращения потерь влаги на испарение создаются когда верхний мульчирующий слой почвы глубиной до 10 см представлен в основном комочками размером от 0,25 до 10 мм имеет плотность в пределах 0,93-1,04 г/см³, общую породность 60-62%. Нижняя часть пахотного слоя должна иметь плотность 1,18-1,20 г/см³, твердость 11-13 г/см², общую пористость 51-54% (3).

Придать пахотному слою почвы такие агрофизические параметры можно различными приемами обработки почвы или их исключением, особенно если ровновесные (естественные) агрофизические показатели ниже или совпадают с оптимальными.

По данным НИИСХ Юго-Востока (5) потери воды на испарения с поверхности почвы за теплое время года составляет около 170 мм или 44% от годовой суммы осадков. Выделяют три стадии испарения (6). При высокой влажности почвы (от полного насыщения до капиллярной влагоемкости) скорость испарения влаги часто бывает больше, чем испарение с открытой водной поверхности. В этой стадии скорость испарения постоянна, мало зависит от физических свойств почвы и определяется метеорологическими условиями.

По мере высыхания почвы в капиллярах появляются пузырьки воздуха в связи с чем резко уменьшается подвижность воды и наступает вторая стадия высыхания при которой влага в почве передвигается в основном диффузно- конвекционным и пленочно-менисковым способом. Основными факторами, определяющими скорость испарения становится влажность почвы и ее физическое состояние (структурные качества и плотность).

Третья стадия наступает, когда влажность почвы становится очень низкой (равной максимальной гигроскопичности). В этом случае вода передвигается медленно только в парообразном состоянии и недоступна для большинства сельскохозяйственных культур.

Таким образом, для установления оптимальной глубины обработки важно располагать данными по разнице между фактическими и оптимальными величинами плотности, твердости, общей породности, аэрации и водопроницаемости пахотного слоя. Если параметры этих показателей почвы, находящейся в естественном состоянии совпадают с требованиями возделываемых культур, то глубина ее обработки может быть минимальной, а на чистых от сорняков полях или применением высокоэффективных гербицидов механическая обработка с осени при таких условиях вообще может не проводиться. Представляется возможность осуществлять технологию прямого посева или посев с локальным рыхлением почвы в зоне рядка (7, 8).

При подборе основной и поверхностной обработки почвы в летне-осенний и весенне-летний периоды следует учитывать, что наиболее предпочтительно в целях сохранения влаги выровненное мелкокомковатое состояние. Глыбистая и пылеватая поверхности резко увеличивают потери влаги почвой. Глыбистая поверхность почвы также способствует увеличению испарения влаги. В периоды интенсивного испарения влаги из почвы, предпочтительно уплотненное (естественное) сложение пахотного слоя.

Реализация этих принципов, направленных на накопление и сохранение влаги в летний послеуборочный период в наибольшей степени могут обеспечить мелкие обработки почвы, дополняемые глубоким рыхлением без оборота пласта во второй половине осени. В весенне-летний период наилучшее сохранение и рациональное использование влаги достигается созданием мелкокомковатого поверхностного слоя, сокращением количества и глубины рыхления, совмещением технологических операций при работе одним агрегатом.

В условиях высокой интенсификации земледелия минерализация гумуса достигает от 0,5 до 2 т/га в год. Сокращение количества гумуса в почвах происходит почти повсеместно (9). Исключение составляют районы и хозяйства, где применяются высокие дозы органических удобрений и полевое травосеяние.

Обработка почвы изменяет условия жизнедеятельности микроорганизмов и оказывает существенное влияние на синтез и разрушение органического вещества.

Меньшие потери гумуса при безотвальных и особенно мелких обработках объясняются более плотным сложением пахотного слоя, большей подавленностью биологических процессов.

Глубокие обработки почвы с оборотом пласта, повышая ее аэрацию способствуют увеличению потерь гумуса по сравнению с мелкими обработками. Для поддержания бездефицитного баланса при мелких обработках потребуется меньше вносить органических удобрений, чем на вспашке и комбинированной обработке (при сочетании рыхления и вспашки).

Так как в синтезе гумуса участвует большая группа микроорганизмов (как аэробных, так и анаэробных) то можно полагать об одинаковой возможности этого процесса, как при постоянной отвальной, так и безотвальной обработках.

Широкое применение в севооборотах безотвальной и мелкой обработок не исключают необходимости заботиться о накоплении гумуса другими средствами. Так, при постоянной отвальной вспашке дефицит гумуса составляет 4,9 т/га, при комбинированной - 5,1, по мелкой плоскорезной обработке и мелкой обработке дисками - 4,6 т/га.

По многолетним данным Ульяновского НИИСХ содержание гумуса после завершения первой ротации севооборота оказалось практически одинаковым по всем способам обработки почвы - от 7,4 до 7,5% (10).

В последние годы выявлена высокая эффективность регулирования баланса органического вещества путем сочетания минимальных обработок с использованием на удобрение измельченной соломы и сидератов (7, 11).

По данным научных учреждений европейской части России и исследованиях сопредельных государств установлено, что в большинстве случаев при отсутствии целенаправленных мер борьбы с сорняками при безотвальных и минимальных обработках возрастает засоренность посевов. Поэтому при внедрении таких обработок необходимо предусматривать комплекс эффективных агротехнических и химических мер борьбы с сорняками, вводить полевые севообороты с чистыми парами (преимущественно короткой ротации) (12, 13).

Наибольшие запасы семян сорняков при безотвальной обработке отмечаются в верхнем слое почвы. Однако количество семян сорняков при такой обработке в нижних слоях снижается. При длительном постоянном применении плоскорезных обработок или обработок дисковыми орудиями количество жизнеспособных семян сорняков в слое 10-20 см уменьшалась по сравнению со вспашкой на 48-50%, а в слое 20-30 см - на 68-70%.

По вспашке семена равномерно распределяются по всему пахотному слою. Уменьшение засоренности нижних слоев почвы при безотвальных обработках особенно при отсутствии осенних механических обработок способствует снижению количества жизнеспособных семян в слое 0-30 см по сравнению со вспашкой на 39-50%.

По этой причине представляется возможность при применении в течение 3-4 лет непрерывной безотвальной обработки в специальных звеньях севооборотов (пар - озимые - поздние яровые культуры) резко снизить засоренность посевов овсюгом и уменьшить потенциальные запасы его семян в почве.

По данным В.П. Васильева и Н.В. Светкиной (14) при минимальных обработках паров в почве проросло и уничтожено на 25-30% больше сорняков, чем по вспашке.

Снижению засоренности посевов в севооборотах с безотвальными и минимальными обработками почвы способствует периодическая вспашка.

Наиболее эффективна в борьбе с сорняками в зернопаропропашных звеньях севооборотов и в севооборотах без чистых паров разноглубинная отвальная обработка почвы, при которой значительная часть семян, погребенных в глубокие слои почвы, теряют всхожесть только в сухой степи в зернопаровых звеньях севооборотов равные результаты в борьбе с сорняками из-за слабого их развития в засушливые годы достигаются и при безотвальных и минимальных обработках. В более влажных регионах возникает необходимость при безотвальных обработках предусматривать специальные комплексы мер борьбы с сорняками.

В комплексе почвозащитных мероприятий важное место отводится приемам обработки почвы на склонах. Важным приемом, сокращающим сток вод является глубокая обработка почвы поперек склона. Она способна уменьшить коэффициент стока по сравнению с необработанной почвой в 3 и более раза.

Однако зяблевая обработка почвы поперек склона не в состоянии эффективно и устойчиво регулировать сток, особенно на тяжелых по механическому составу почвах.

В каждый третий год на зяби отмечается ежегодный сток величиной 24-28 мм.

Формированию повышенного стока по зяблевой обработке способствует высокое осеннее увлажнение и последующее глубокое промерзание почвы. Особенно опасны глубокие зимние-весенние оттепели, приводящие при возврате холодов к промерзанию почвы более чем на 40-50 см и образованию водонепроницаемого экрана на поверхности поля. Причем вероятность таких лет довольно высокая.

Способы обработки в зависимости от складывающихся условий оказывают разное влияние на величину стока. При глубоких оттепелях и последующих холодов совершенно не эффективными оказались способы обработки с устройством временных емкостей (лунок, перемычек и др.). Более того, в такие годы они увеличивали сток талых вод по сравнению с обычной вспашкой на 20-30% (15).

Плоскорезная обработка сокращает по сравнению со вспашкой смыв почвы, но увеличивает сток талых вод в многоводные годы и в малоснежные зимы, особенно при образовании притертой ледяной корки на поверхности почвы.

Значительно улучшается водопроницаемость почвы на склонах весной при гребнекулисном способе обработки почвы (16). Стерня и пожнивные остатки размещаются при этом способе в виде плотных стерневых кулис на поверхности поля и водопоглащающих элементов в почве. У противоэрозионного плуга со стернеукладчиком имеются специально поставленные плоские диски, которые подрезают и собирают стерню в кулису. Такая обработка может выполняться не только на базе плуга, но и плоскореза. Гребнекулисная обработка сокращает смыв почвы на 30-50% и повышает урожай на 1,5-1,6 ц/га.

В целом в зоне действия водной эрозии способы обработки должны применяться в строгом соответствии с крутизной склона и степенью эродированности почвы. На склонах крутизной до 3^о со слабоэродированными почвами рекомендуется глубокая вспашка поперек склона, вспашка плугами с почвоуглубителями, глубокое рыхление. На более крутых склонах предполагается глубокая вспашка с почвоуглублением, глубокое безотвальное рыхление.

Важной мерой предотвращения водной и ветровой эрозии является мульчирование поля пожнивными соломистыми остатками с использованием стерни и излишков соломы. Ориентировочно количество послеуборочных остатков, необходимых на поверхности поля для защиты от ветровой эрозии составляет на супесях - 1420 кг/га, на легких и карбонатных суглинках - 1120, суглинках - 784 кг. На преобладающих средних по механическому составу почвы для защиты от водной эрозии при крутизне склона до 4^о необходимо от 846 до 1340 кг послеуборочных остатков, от 4^о до 8^о - от 1340 до 1680 кг/га.

В наибольшей степени сохраняют стерню и соломистые остатки на поверхности поля безотвальные орудия (плоскорезы, плуги параплау, чизели, игольчатые бороны, противоэрозионные культиваторы).

При значительном количестве органических остатков они выполняют водопоглотительную роль и при мелкой их заделке в почву.

Темно-каштановые почвы Казахстана обладают благоприятными агрофизическими свойствами, позволяющими широко применять энерго-ресурсосберегающие приемы обработки почвы при переходе на современные технологии.

В научных учреждениях накоплено значительное количество данных, свидетельствующих о возможности эффективного применения экономных способов обработки почвы под яровую пшеницу (17, 18, 19).

Положительные результаты от минимально-плоскорезных обработок получены в степных районах Южного Урала (20). Применение этих обработок в зернопаровых севооборотах с короткой ротацией обеспечило рост урожайности при резком сокращении затрат. В среднем за 1979-1983 гг. урожайность яровой пшеницы в четырехпольном зернопаровом севообороте первой культурой по пару составило по вспашке 15,2 по минимальной обработке 15,9 ц/га, на повторных посевах соответственно 9,3 и 13,2 ц/га. В целом по севообороту урожайность зерновых при минимальной системе обработки почвы составила 14,6 ц/га, а по ежегодной вспашке - 11,8 ц/га (рост 17,5%). На возможность применения минимальной основной обработки под яровую пшеницу в зоне южных и обыкновенных черноземов Оренбургской области указывает Н.А. Максютов (21), для условий Самарской области В.А. Корчагин (22), для условий Северного Казахстана В.И. Двуреченский (8), для условий Западного Казахстана С.Г. Чекалин (23).

Минимальная обработка в севооборотах позволяет улучшать структурно-агрегатный состав почвы, обеспечивает оптимальные агрофизические свойства.

Полученные данные с полным основанием позволяют рекомендовать в полевых севооборотах степных регионов ресурсосберегающие системы обработки почвы. Полученные данные дают основание судить об общей закономерности - возможности получения одинакового урожая яровой пшеницы по минимальной обработке и вспашке. При переходе к ресурсосберегающим технологиям с минимальными обработками почвы под яровую пшеницу следует учитывать возможность проявления негативных моментов в случае применения их на неокультуренных землях с повышенной засоренностью полей, бедных по естественному плодородию и на тяжелых по механическому составу почвах.

Поэтому при минимальных обработках почвы должен проводиться комплекс мер, которые будут гарантировать ее высокую эффективность. К ним следует отнести:

плоскорезную осеннюю обработку почвы на полях, засоренных многолетними сорняками;

применение гербицидов широкого спектора действия по стерне и на посевах зерновых культур;

внесение компенсационных доз удобрений для ускорения разложения измельченной соломы;

проведение позднеосеннего рыхления (щелевания) почвы в годы с повышенным выпадением осадков в осенний период.

Эффективным и недорогим приемом повышения влагообеспеченности посевов яровой пшеницы при постоянной мелкой обработке почвы, особенно в годы с благоприятным осенним увлажнением является сочетание ее с позднеосенним щелеванием.

В опытах И.А. Чуданова и Л.Ф. Лигастаева (24) позднеосеннее щелевание на 35-40 см по поверхностной (лущение стерни) и мелкой обработках повысило урожайность яровой пшеницы, в сравнении со вспашкой, при размещении ее по просу на 1,1-1,8 ц/га, по кукурузе - на 1,9-3,2 ц/га.

В последние годы в нашей стране и за рубежом большое внимание привлечено к разработке и освоению технологии прямого посева зерновых культур с отказом от основной осенней и весенней предпосевной обработки почвы. Особый интерес к этим технологиям вызван не только достигаемой наибольшей экономией энергетических и трудовых затрат, но и возможностью капитального решения проблемы защиты почв от эрозии, предотвращения потерь гумуса. Отказ от вспашки позволяет до минимума сократить проходы техники по полю, предельно снизить затраты труда, износ техники и расход топлива, уменьшить естественную аэрацию почвы.

Оставление стерни и соломы на поверхности поля создает благоприятные условия для задержания снега, при этом сокращается глубина промерзания, уменьшается испарение влаги из почвы. Создание мульчи из пожнивных остатков и соломы при прямом посеве позволяет не только улучшить водный режим, но и восстановить почвенное плодородие.

Широкому применению технологий прямого посева способствует также непрерывно возрастающий ассортимент нового поколения посевных машин для выполнения прямого посева, хорошо налаженное производство эффективных гербицидов, накапливающийся положительный опыт практического освоения новых технологий.

При посеве по не обработанным с осени полям яровых культур создается опасность роста засоренности посевов, ухудшения пищевого режима, а в отдельные годы - и водного режима. Нарушение обязательных требований прямого посева не гарантирует успеха с применением таких технологий.

Несоблюдение специфических требований технологии прямого посева приводило ранее в большинстве случаев к отрицательным результатам при возделывании яровых культур по необработанной с осени почве. В опытах Г.И. Казакова (3) урожайность яровой пшеницы на посевах без осенней обработки снизилась на 2,5-2,6 ц/га, ячменя - на 1,6 ц/га, проса - на 2,7 ц/га.

Поэтому при прямом посеве яровой пшеницы нужно обязательно обеспечить реализацию целого комплекса мер, который включает:

использование в борьбе с сорняками высокоэффективных гербицидов;

применение специальных комбинированных машин для прямого посева;

использование измельченной соломы на удобрение и для создания мульчирующего слоя почвы.

Важным средством снижения ресурсозатрат при возделывании яровой пшеницы является совмещение технологических операций с применением комбинированных посевных агрегатов, способных выполнять в весенний период за один проход предпосевную подготовку почвы, посев, внесение основного и стартового удобрений, прикатывание и другие операции.

Комбинированные посевные агрегаты являются составной частью ресурсосберегающих технологий. Только при их совместном использовании с почвообрабатывающими орудиями возможно обеспечить максимальный экономический эффект новых технологий.

Таким образом, разнообразие условий, складывающиеся даже в пределах отдельных природно-климатических зон, разный уровень интенсивности ведения сельскохозяйственного производства неизбежно ведут к многообразию вариантов новых технологий возделывания яровой пшеницы. Создание на системной основе современной технологии является важным элементом разрабатываемых систем земледелия, отвечающих требованиям современного сельскохозяйственного производства.

В связи с рядом объективно складывающихся обстоятельств, ресурсосбережение в современных условиях выступает в качестве одного из приоритетных направлений в структурной перестройке методов ведения растениеводства (Двуреченский В.И., 2004; Дюсенбеков З.Д., 2004; Кирюшин В.Н.,2004; Елешев Р.Е., 2005).

В экономическом плане эти требования связаны с необходимостью получения дешевой конкурентоспособной продукции в условиях возрастания стоимости технических ресурсов, топлива, удобрений, средств защиты растений, сельхозмашин и орудий. В экологическом плане - с устранением нарастающих негативных процессов в земледелии, связанных с усилением деградации почв под влиянием интенсивных механических обработок почвы при традиционных технологиях (эрозия, усиление минерализации гумуса, ухудшение структуры, рост себестоимости, снижение рентабельности производства и т.д.) (Кант Г., 1980; Чуданов И.А. и др., 1998).

По усредненным показателям минимальная обработка почвы и посев комбинированной посевной техникой снижают прямые затраты на 18-20 %., энергетические затраты на основную обработку почвы при возделывании зерновых культур сокращаются в 2-3 раза, на топливо - на 30-50% (Ален Х.П., 1985; Келлер К., 2002).

Как отмечает Д.Ч. Рейкоски (2005), основным достоинством ресурсосберегающих технологий (нулевой обработки почвы и прямого посева) является немедленное воздействие на взаимосвязь органического вещества и углерода в почве. Технологии сберегающего земледелия способствуют снижению глобального потепления климата за счет снижения выбросов углерода с сельскохозяйственных угодий.

Важным моментом, который делает необходимым переход на новые технологии, является то, что они в большей степени, чем традиционные, отвечают требованиям природоохранного земледелия.

Многочисленный отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что переход на современные технологии с энергосберегающими способами обработки почвы позволяет избежать ухудшения физических и агрохимических свойств почв, приводящих к ухудшению условий развития растений.

Западно-Казахстанская область находится в зоне сухих степей и является основным поставщиком сильных и твердых сортов пшеницы. Поэтому, важной задачей региона является разработка таких технологий, которые бы способствовали решению проблем накопления, сбережения и рационального использования почвенной влаги.

Многочисленные наблюдения свидетельствуют о значительном повсеместном снижении потенциального плодородия темно-каштановых почв. В результате неблагоприятного антропогенного воздействия запасы гумуса за последние 30 лет использования пашни снизились более чем на 30%. Каждый второй гектар в области имеет содержание гумуса менее 2% (Браун Э.Э., Чекалин С.Г., 2005).

Наблюдения за изменением содержания гумуса за многолетний период применения тех или иных приемов обработки показало, что наибольшие изменения в содержании гумуса произошли на варианте с ежегодным использованием вспашки (Кучеров В.С., Чекалин С.Г., 2005 г.).

Особое значение при ресурсосберегающих технологиях приобретает использование в севооборотах соломы на удобрение. Систематическое применение соломы в сочетании с оставляемыми в верхнем слое пожнивными остатками выступает на фоне минимальной обработки почвы не только как средство питания растений, но и в качестве эффективного способа наращивания почвенного плодородия. Так, длительное применение соломы в качестве органического удобрения в зернопаровом севообороте способствовало стабилизации содержания гумуса, создавая при этом благоприятные условия для активной деятельности микрофлоры (Кучеров В.С. Чекалин С.Г., 2000г; Вьюрков В.В., 2003).

В настоящее время накоплено достаточное количество данных, свидетельствующих о том, что технологии, основанные на минимальных и комбинированных системах обработки, обеспечивающие менее интенсивное разложение органических остатков, положительно влияют на баланс гумуса в почве(С.Н. Шевченко, В.А. Корчагин, 2006).

Более успешно при переходе к энергосберегающим технологиям с минимальными обработками почвы решается экологическая проблема земледелия. Выброс в атмосферу газов от отработанного топлива снижается на 30-35%. Уменьшаются потери минерализации азота, резко снижаются эрозионные почвенные процессы.