Мировое земледелие и агротехнологии последних десятилетий претерпели несколько революционных этапов: возделывание высоинтенсивных сортов, освоение интенсивных технологий, генная инженерия, информационные технологии. Техногенная интенсификация земледелия, основанная на массовом использовании средств химизации (удобрения и пестициды), позволила повысить урожайность агрокультур и несколько стабилизировать плодородие почвы, однако окупаемость ресурсов, вкладываемых в агротехнологии, энергетическая и экономическая эффективность производства стали существенно снижаться. Высокая интенсификация привела к экологическим проблемам, что породило протест общественности и бурные дискуссии, в которых противопоставлялись две позиции: первая – полный отказ от химизации; вторая - дальнейшая интенсификация путем создания наукоемких точных технологий с минимальными экологическими рисками.
Первая позиция была популярна в период тотальной химизации и как результат были выдвинуты идеи по развитию альтернативных систем земледелия, отрицавших применение минеральных удобрений и пестицидов, среди которых биодинамическое земледелие, экологическое земледелие, органическое земледелие и другие формы, мало отличающиеся друг от друга.
Позже (в 80-х гг.) активизировался поиск так называемого третьего пути – технологических решений, интегрирующих экономические, социальные и экологические аспекты земледелия.
Сложился принципиально новый подход к методологии развития сельского хозяйства, обозначенный термином «sustainable agriculture», произошедшим от более общего понятия «sustainable development», которое отражает концепцию будущего развития человечества, принятую в 1992 г. в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде и развитию.
Между тем химическая интенсификация земледелия привела к загрязнению получаемой продукции и окружающей среды, физической и биологической деградации плодородия почвы, снижению биоразнообразия агрофитоценозов и другим последствиям.
Это вызывает необходимость проведения технологической модернизации существующего земледелия на основе экологизации.
По мнению ряда авторов, перспективным выражением экологизации является биологизация земледелия, когда отрицательное действие факторов химической интенсификации нейтрализуется биологическими.
В сельском хозяйстве проявление экологизации известно как «органическое земледелие» (экологическое, биологическое и др.).
В разных странах сформировались терминологические различия в понятии альтернативных систем земледелия, которые часто приводят к возникновению недоразумений. По обзору информации проведенной Я.А. Федоренко термин Organic Farming (впервые использовал Lord Walter Northbourne в 1940 году) официально принят в англоязыковых странах Европейского Союза (ЕС), эквивалентным термином во Франции, Италии, Португалии является «биологическое земледелие» (Biological Farming), а в Дании, Германии и Испании - «экологическое земледелие» (Ekolological Farming).
Такая система земледелия максимально базируется на севооборотах, использовании растительных остатков, навоза и компостов, бобовых растений и растительных удобрений, органических отходов производства, минерального сырья, механической обработки почв и биологических средствах борьбы с вредителями с целью повышения плодородия и улучшения структуры почв, обеспечения полноценного питания растений и борьбы с сорняками и разнообразными вредителями.
В мировом масштабе органическое земледелие, основанное на полном отказе от техногенных ресурсов, заняло определенную нишу, но не получило широкого распространения, вследствие повышенной затратности, низкой обеспеченности растений в питательных элементах, проблем с защитой растений и низкой урожайности сельскохозяйственных культур.
В научной агрономии получил распространение такой термин и направление как «биологизация», но его определение трактуется по-разному, следовательно, и методологические подходы к разработке в различных странах и научных школах неодинаковые. По выражению В.И. Кирюшина, биологизация является «основным выражением экологизации земледелия».
Экологизация - это процесс последовательного внедрения идей сохранения природы и устойчивости окружающей среды в сфере законодательства, управления, разработки технологий, экономики, образования и др.
В одном из последних изданий РАН дается определение: «экологизация (ecological direction, ecological course) – процесс последовательного внедрения идей сохранения природы и устойчивости окружающей среды в сфере законодательства, управления, разработки технологий, экономики, образования и др.»
Безусловно, что земледелие большинства российских регионов требует новых подходов, необходимо расширение исследований по его технологической модернизации. На сегодня созданы необходимые предпосылки для решения этой задачи в виде методологии формирования и проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия и наукоемких агротехнологий, в которой интегрируются адаптивная интенсификация и экологизация земледелия.
В.И. Кирюшин в своих работах указывает, что сущность экологизации сельского хозяйства заключается в приведении его в соответствие экологическим законам, решении задач, сохранения биоразнообразия, адаптации к агроэкологиче-ским условиям, оптимизации соотношения природных и сельскохозяйственных угодий, гармонизации земледелия и животноводства, создании оптимальной инфраструктуры агроланд-шафтов.
Некоторые авторы считают, что сущность биологизации заключается в максимальном сокращении разницы в разложении органического вещества в почве и поступлением его из разных источников. Однако данный подход лишь часть сложного процесса биологизации.
Биологизация (направление) и биологическое земледелие (способ использования земли) направлены на снижение последствий от использования факторов интенсификации и основаны на рациональном использовании биогенной интенсификации и биологических факторов продукционного потенциала растений. В простом приближении сущность биологизации земледелия можно выразить как усиление роли живых организмов и биопотенциала растений в продукционном процессе и воспроизводстве плодородия почвы.
Итак, органическое земледелие, базирующиеся на полном отказе от средств химической интенсификации – это высшая форма проявления экологизации сельского хозяйства. На современном этапе развития, в связи с низкой продуктивностью и высокой затратностью, оно не способно обеспечить продовольственную безопасность страны. Понимание того, что глубокая химическая интенсификация чревата глобальными экологическими последствиями, вынуждает разрабатывать и активно ориентировать существующее земледелие на процессы биологизации (биологическое земледелие).
В Ульяновском ГАУ им. П.А. Столыпина более 30 лет ведутся исследования в области биологизации земледелия лесостепной зоны Поволжья, что позволило обосновать факторы и приемы биологизации систем земледелия этого региона (табл. 1).
.jpg)
Выделаны следующие факторы биологизации земледелия: севооборот, биологический азот, органоминеральная система удобрения, биологическая защита растений, почвозащитные системы обработки почвы.
Севооборот - на первом месте
Важнейший фактор биологизации – севооборот, определяющий разнообразие видов и сортов культурных растений (биоразнообразие). Биологическое разнообразие в агрофитоценозах регулируется с помощью набора основных и промежуточных культур в севооборотах.
Севооборот позволяет выстраивать систему защиты растений, непосредственно за счет смены условий обитания вредных организмов и кормовой базы для них, и косвенно, за счет создания условий для развития энтомофагов. При широком разнообразии сельскохозяйственных культур увеличивается и численность насекомоядных хищников, которые борются с вредителями и помогают предотвратить болезни. Все это ведет к снижению объемов применения пестицидов.
Следует отметить, что расширить видовой состав и оптимизировать набор культур в севооборотах, в экономическом и экологическом аспектах, а также обеспечить системный эффект чередования культур можно только при развития животноводства.
Севооборот - важнейший фактор биологизации, определяющий разнообразие видов и сортов культурных растений
При этом появляется возможность введения многолетних трав, которые, помимо кормового значения, чрезвычайно важны для повышения плодородия почв, защиты их от эрозии и оптимизации фитосанитарного состояния агроценозов. Интеграция земледелия и животноводства во многом решает проблему удобрения сельскохозяйственных культур и повышения биологической активности почвы.
Согласно нашим исследованиям в условиях лесостепной зоны Поволжья перспективы плодосменные севообороты с многолетними травами, которые позволяют получать кормовые ресурсы и обеспечивают воспроизводство плодородия почвы. В структуре посевных площадей хозяйств региона следует увеличить доли занятых и сидеральных паров (не менее 60% от посева озимых зерновых культур), увеличить площадь кормовых многолетних бобовых трав и бобово-злаковых смесей до 25% от площади пашни, а также смешанных посевов и промежуточных культур.
Биологический азот
Общеизвестно, что азот минеральных удобрений характеризуется высокой энергоемкостью, приводит к увеличению затрат на производство продукции растениеводства, а также к повышению концентрации нитратов и нитритов, загрязнению почвы, водоисточников и продуктов растениеводства.
Альтернативным источником азота служит способность определенных групп микроорганизмов связывать его из воздуха, сам процесс выполняет глобальную функцию - поддержание азотного статуса биосферы. Романов Г.Г. указывает, что для сельского хозяйства привлекательность «биологического» азота в качестве источника азотистых соединений состоит в том, что запасы молекулярного азота атмосферы практически неисчерпаемы, сам ферментативный процесс фиксации азота осуществляется при обычных температурах и давлении, а источником энергии выступает солнечный свет. Максимальное использование процесса экологически и энергетически приемлемо и вполне вписывается в биосферную парадигму природопользования, декларированной Конференцией ООН по окружающей среде и развитию.
Биологический азот относится к числу энергоэкономных и экологически безопасных источников в растениеводстве и очевидно, что нужно расширять видовой состав и долю бобовых в структуре посевных площадей поэтому уровень биологизации севооборотов определяется, в частности, продуктивностью симбиотической фиксации азота из атмосферы интенсивной культурой бобовых растений. Кроме прочего, бобовые культуры являются источником растительного белка и незаменимых аминокислот, а также одним из лучших предшественников в севообороте. Все это определяет актуальность расширения видового состава бобовых культур в севооборотах и разработки приемов повышения их продуктивности и усиления симбиотической азот-фиксации.
Нами рекомендуется снижать долю чистых паров, а в занятых парах размещать зерновые бобовые культуры - горох, вику, люпин, люпин с горохом в двухкомпонентных агрофитоценозах, как источников биологического азота и накопления ресурсов растительного белка. По нашим данным в условиях лесостепи Поволжья зерновые бобовые культуры отличаются высокой продуктивностью симбиотической азотфиксации: горох – до 70 кг/га, люпин – до 99 кг/га, вика – до 34 кг/га.
Наибольшей продуктивностью симбиотической азотфиксации отличаются посевы люцерны (до 352 кг/га), эспарцет (до 207 кг/га) и смесь люцерна + кострец (до 130 кг/га),что обосновано в наших работах.
Обогащение почвы органическим веществом
В научной литературе встречается термин soil health – функциональная биологическая категория, отражающая состояние динамики активности биотического компонента в органоминеральном комплексе почвы.
Органическое вещество почвы, как ключевой показатель плодородия, формирует и поддерживает основные режимы, свойства и функции почвы, придает ей свойства эмерджентности системы.
Коллективами авторов разработаны концепции воспроизводства плодородия почвы и регулирования режима органического вещества почвы в различных регионах нашей страны. Основная сущность концепций заключается в использовании в качестве источника органического вещества почвы биогенных ресурсов, создаваемых в агрофитоценозах.
При биологизации земледелия в качестве источника органического вещества, наряду с внесением навоза, рекомендуется использовать солому зерновых и зернобобовых культур (до 1,5 млн. тонн по Ульяновской области) и другие биогенные ресурсы (пожнивные и корневые остатки культур, сидераты, промежуточные посевы), что усилит микробиологическую активность, улучшит режим органического вещества и водно-физические свойства почвы, повысит продуктивность севооборотов. Объем биогенных ресурсов, поступающих в почву, должен быть не менее 8 т/га сухого вещества, что обеспечит оптимизацию режима органического вещества черноземов.
Важно подчеркнуть, что половина названного количества растительной массы должна оставаться на поверхности почвы в виде мульчи для сокращения стока воды, защиты от смыва, размыва, дефляции. В целом подобное поступление лабильного органического вещества в почву способствует поддержанию ее благоприятного структурного состояния.
Решение проблем продовольственной безопасности возможно за счет повышения продуктивности сельскохозяйственных культур на используемых землях, что обуславливает широкое применение минеральных удобрений. Очевидно, что полный отказ от использования минеральных удобрений в системе органического земледелия приведет к снижению продуктивности. Между тем учеными и практиками доказано, что их негативное влияние нейтрализуется использованием органических удобрений. Отмечено, что концепция биологизации реализуется через нейтрализацию отрицательного действия минеральных удобрений, которое выражается в усилении дегумификации почв и деградации агрофизических свойств. Согласно концепции биологизации на 1 тонну органических удобрений должно вносится не более 15 кг действующего вещества минеральных удобрений.
В полевых севооборотах рекомендуется использовать органоминеральные системы удобрения: солома + NPK и сидерат + солома + NPK. Дозы минеральных удобрений рассчитывать на планируемую урожайность озимой пшеницы 3,5 - 4,5 т/га, яровой пшеницы – 3,0 - 3,5 т/га, зернобобовых культур - 2,5 - 3 т/га зерна и продуктивность многолетних трав – 4 - 5 тыс. кормовых единиц.
Биологическая защита растений
Биологизация защиты растений возможна за счет приемов, направленных на сохранение природных энтомофагов и антагонистов; интродукции фитофагов против отдельных видов сорных растений и применения биопрепаратов для уничтожения вредителей и возбудителей болезней.
Для повышения эффективности защиты растений за счет энтомофагов необходимо в числе возделываемых культур иметь растения, способные поддерживать высокую их численность (гречиху, рапс, фацелию, люцерну, эспарцет, клевер и др.); высаживать в защитных лесных насаждениях нектароносные многолетние растения (черемуху, липу, клен, рябину, боярышник и др.); оставлять полосы при скашивании многолетних трав; использовать пищевые аттрактанты для привлечения энтомофагов; проводить выборочную пестицидную обработку с учетом соотношения численности фагов и энтомофагов. По мере биологизации земледелия химических пестицидов должна уменьшаться, а в их ассортименте увеличиваться доля экологически безопасных препаратов на основе Bacillus thuringiensis, Bacillus subtillus и др. В Поволжье эффективно функционируют несколько заводов по производству биопрепартов (в Пензе, Казани и Ульяновске) и данный метод набирает популярность среди сельхозтоваропроизводилей.
Почвозащитные системы обработки почвы
Переход на почвозащитные системы обработки обусловлен массовым распространением процессов деградации плодородия почвы в результате длительного нерационального использования земель сельскохозяйственного назначения. Биологизация земледелия направлена на сокращение или исключение разрушения почвенного покрова под действием абиотических и биотических факторов (ветра, воды, химических веществ и других факторов).
Прежде всего, механическая обработка почвы должна быть дифференцирована в зависимости от свойств почв, биологических требований культур, ландшафтно-экологических и экономических условий. Критерием минимизации почвообработки служит сравнение оптимальной плотности почвы для той или иной культуры с равновесной. Если судить по данному критерию, то на большей части почв лесостепи Поволжья возможны минимальная обработка почвы и прямой посев зерновых и зерновых бобовых культур.
Наиболее полно требованиям сохранения почвы и воспроизводства ее плодородия отвечает системы прямого посева (no-till).
Основные факторы, определяющие перспективу освоения прямого посева, связаны с отсутствием механической обработки почвы и созданием мульчирующего слоя из растительных остатков, что уменьшает испарение влаги из почвы, подавляет сорняки, защищает почву от эрозионных процессов, при этом увеличивается биологическая активность почв, снижается интенсивность процессов минерализации органического вещества, уменьшается эмиссия СО2.
Альтернативным источником азота служит способность определенных групп микроорганизмов связывать его из воздуха, сам процесс выполняет глобальную функцию - поддержание азотного статуса биосферы
Несмотря на значительное распространение данной системы в мировом земледелии, по поводу внедрения прямого посева в России высказывается много сомнений, скепсиса, акцентируется внимание на его недостатках, но научному сообществу и передовым практикам следует вести разработку рекомендаций как преодолеть эти недостатки ради достоинств. Таким образом, для освоения почвозащитных систем обработки почвы, аграрному сообществу следует осмыслить необходимость сохранения окружающей среды и воспроизводства плодородия почвы, решить вопросы по подготовке специалистов и техническому оснащению системы.
Одним из главных факторов освоения системы прямого посева остается севооборот. При подборе культур важно учитывать способность корневой системы оказывать рыхлящее влияние на почву, замещая тем самым действие глубокой обработки почвы.
Свойством разрыхлять почву обладают культуры со стержневой корневой системой, пригодные для возделывания в условиях лесостепной зоны Поволжья. Примером полевых севооборотов пригодных для освоениясистемы no-till в условиях лесо-степной зоны Поволжья могут служить такие схемы: масличные культур (лен, рапс, горчица) – озимая пшеница – зерновые бобовые (горох, соя, люпин, нут) – яровая пшеница – люцерна (выводное поле) – яровые зерновые.
Примером широкого и эффективного использования биологизации на практике земледелия является опыт Белгородской области, где ежегодно в занятых парах и в промежуточных посевах на площади более 300 тыс.га используют сидераты в сочетании с навозом и удобрением соломой. В структуре посевных площадей увеличилась доля бобовых культур, а размеры симбиотической фиксации азота достигли в среднем за год 17,4 кг/га. Сочетание органических удобрений с минеральными и известкованием позволило превзойти показатели плодородия почвы в области конца 80-х гг. прошлого столетия и обеспечить стабильность растениеводческих и животноводческих отраслей АПК, по развитию которых Белгородская область занимает одно из первых мест в России.
На полях лесостепной зоны Поволжья применяются агротехнологии, которые отличаются высокой степенью техногенной интенсификации, применением высоких доз минеральных удобрений и пестицидов, что может привести к экологическим проблемам. Это вынуждает осваивать экологически приемлемые агротехнологии, основанные на принципах экологизации и биологизации. Сущность биологизации земледелия заключается в освоении факторов и приемов в конкретных региональных условиях:
- севооборот, поддерживающий биологическое разнообразие за счет разных сортов, основных и промежуточных культур;
- биологический азот, за счет симбиоза азотфиксирующих бактерий и бобовых культур, что позволит снизить объемы внесения азотных удобрений и повысить экономическую и энергетическую эффективность агротехнологий;
- обогащение почвы органическим веществом, освоение органоминеральных систем удобрения на основе навоза, соломы и сидератов, для условий лесостепной зоны Поволжья не менее 8 т/га сухого вещества;
- биологическая защита растений за счет создания условий для размножения энтомофагов, интродукции фитофагов против отдельных видов сорных растений и применения биопрепаратов;
- почвозащитные системы обработки почвы направленные на защиту почв от эрозии, снижения объемов минерализации органического вещества почвы, сохранение влаги, повышения биологической активности почвы и воспроизводства других показателей плодородия почвы.
Эффективность биологизации земледелия повышается в синергетическом взаимодействии факторов и приемов. Система биологизации земледелия лесостепной зоны Поволжья позволит снизить отрицательное действие техногенной интенсификации, будет способствовать воспроизводству плодородию почвы и повышению экономической и энергетической эффективность производства сельскохозяйственной продукции.
