No-till: эффективная защита почв от эрозии

Одним из путей борьбы с ветровой эрозией является сохранение на поверхности почвы стерни зерновых колосовых культур. Но одни стерневые остатки не гарантируют предотвращение водной эрозии, так как после удаления с полей соломы и половы в результате даже безотвальной обработки почвы их недостаточно для остановки водных потоков при интенсивном снеготаянии и ливневых осадках.

Более эффективным способом борьбы с эрозией является технология No-till, в которой почва не обрабатывается и на её поверхности равномерно распределяются все растительные остатки возделываемых растений. Эффективность этого агроприёма в борьбе с эрозией почвы увеличивается при уборке зерновых колосовых культур методом очёса растений и применения почвопокровных посевов в промежутке от уборки одной и до посева следующей культуры севооборота. В этом случае обеспечивается высокая устойчивость почвы к проявлению ветровой и водной эрозии. Такие выводы получены в мелкоделяночных опытах научных учреждений, и до настоящего времени не установлена эффективность технологии No-till в борьбе с дефляцией и водной эрозией при её применении на больших производственных площадях.

Условия, материалы и методы

Объектами исследований были СПК «Архангельский» и ООО «Добровольное», расположенные рядом на территории Буденовского района Ставропольского края. Общая площадь СПК «Архангельский» — 16385 га, в том числе пашни — 15675 га, ООО СП «Добровольное» — соответственно 8025 и 7243 га.

В этих хозяйствах системы земледелия и технологии возделывания сельскохозяйственных культур существенно различаются. СПК «Архангельский» с 2014 года начал внедрять и в 2017 году полностью освоил систему земледелия без обработки почвы (технология No-till) на всей площади пашни. В этой технологии почва не обрабатывается и семена всех культур специальными сеялками высеваются в необработанную почву при обязательном наличии на её поверхности растительных остатков предшествующих растений.

ООО «Добровольное» все эти годы работало по рекомендованной научными учреждениями системе земледелия. При этом обработку паровых полей, как и зяблевую обработку почвы под все культуры, проводили отвальными плугами с оборотом пласта и заделкой растительных остатков в почву. Поэтому на всех полях хозяйства растительные остатки на поверхности почвы отсутствовали.

Оба хозяйства находятся в засушливой зоне Ставропольского края со среднегодовым количеством осадков 402 мм, среднесуточной температурой воздуха плюс 10,4°С, суммой активных температур воздуха 3637°С. Гидротермический коэффициент (ГТК) = 0,7. Согласно классификации Г.Т. Селянинова, данные условия для выращивания сельскохозяйственных культур являются очень засушливыми.

В среднем за 2014-2019 гг. годовая среднесуточная температура воздуха составила 11,8°С, что на 1,4°С выше климатической нормы. Наибольший прирост температуры характерен для февраля (+2,9°С), марта (+2,7°С) и летних месяцев: июнь (+2,1°С) и август — +2,6°С.

Среднегодовое количество осадков в эти годы было близко к среднемноголетним значениям и составило 409 мм. Наиболее засушливыми с годовым количеством осадков 368 и 315 мм были 2018 и 2019 гг., более увлажнёнными 2014 и 2015 гг. — 449 и 460 мм. Однако наблюдается существенное увеличение осадков в январе с 23 мм по климатической норме до 37 мм и марте (с 22 до 42 мм), что на фоне повышения температуры воздуха приводит к интенсивному снеготаянию и опасности проявления водной эрозии.

В июне и августе количество осадков уменьшилось на 16 и 19 мм, или на 27,6 и 41,3%, что в совокупности с повышением температуры воздуха значительно увеличило дефицит влаги в почвах и засушливость летнего периода года. Но в жаркую и сухую погоду дожди выпадают в виде ливней, что усиливает процессы водной эрозии, особенно на паровых полях.

Особенностью климата засушливой зоны Ставропольского края является большая ветровая активность в зимние месяцы и ранней весной, которая особенно сильно проявилась в марте 2019 и 2020 гг.

В исследованиях определяли количество растительных остат ков после уборки и перед посевом возделываемых культур, устойчивость почвы к проявлению ветровой эрозии. При помощи геоинформационных технологий (ГИС-технологии) проводили дистанционное зондирование поверхности изучаемых хозяйств космическими аппаратами Ikonos, GeoEye, WorldView-2. По данным статистической отчётности СПК «Архангельский» и ООО «Добровольное», по форме 29СХ определяли структуру посевов и урожайность возделываемых культур.

Основным источником данных дистанционного зондирования Земли был архив компании Maxar Technologies, которая является крупнейшим в мире оператором гражданских спутников, осуществляющих получение данных сверхвысокого пространственного разрешения. Обработку данных дистанционного зондирования Земли проводили путём дешифрирования и создания синтезированных изображений.

В исследованиях использовали также методы ГИС-технологий: наложение объектов, работа с проекцией, пространственный запрос, построение буферных зон, анализ геометрии объектов, построение моделей крутизны и экспозиции склонов на основе цифровой модели рельефа. Оценку интенсивности водотоков проводили по методу Strahler. Обработку и представление полученных результатов проводили математико-статистическим и графическим методами.

Перед началом исследований при помощи дистанционного зондирования Земли была построена цифровая модель рельефа территории исследования, на основании которой проведен морфометрический анализ территории и создана модель пространственного расположения водотоков с последующим дешифрированием линейной водной эрозии на территории СПК «Архангельский» и ООО «Добровольное» (рисунок 1).

Установлено, что на исследуемой территории перепад высот составляет 120 м — от 100 до 220 м над уровнем моря. При стандартном отклонении 0,84°, средний уклон местности составляет 1,31°, на отдельных участках он достигает максимальных значений в 9,79°. Наблюдается равномерное распределение экспозиции склонов по сторонам света — соотношение площадей колеблется от 11 до 14%, исключение составляет северо-восточная экспозиция, склоны которой представлены на 4% территории. Особенностью рельефа изучаемых хозяйств является наличие 6% территории без четко выраженной экспозиции.

На основании данных дистанционного зондирования Земли сверхвысокого пространственного разрешения (съемка 2013 г., аппарат Ikonos) на территории СПК «Архангельский» выявлено 19 км участков пашни с линейной водной эрозией, а на территории ООО «Добровольное» данный вид деградации имел протяженность 9 км.

Для проведения ретроспективного анализа динамики эрозионных процессов на территории СПК «Архангельский» выбраны 2 участка (№ 1 и 2), 1 участок (№ 3) расположен в пределах землепользования ООО «Добровольное». Все участки располагаются в местах формирования водотоков, полученных в результате моделирования на основе цифровой модели рельефа и являющихся наиболее опасными с точки зрения проявления водной эрозии (см. рисунок 1).

Результаты и обсуждение

До начала освоения технологии No-till в 2013 году структура посевов в СПК «Архангельский» и ООО «Добровольное» была практически одинаковой. В обоих хозяйствах более половины площади посева занимала озимая пшеница и озимый ячмень, большая площадь которых высевалась по чистым парам, занимающим соответственно 38,7 и 40,2% пашни (таблица 1).

По мере освоения технологии No-till СПК «Архангельский» уменьшал площадь чистого пара, при этом с 2014 года паровые поля не обрабатывались, и на их поверхности сохранялись растительные остатки предшествующих культур, а борьбу с сорняками вели при помощи гербицидов сплошного действия (химический пар).

В 2018 и 2019 годы хозяйство полностью отказалось от чистых паров, вместо которых в 2019 году на площади 1993 га возделывали горох и нут, 2000 га было отведено под лён масличный, 1615 га — под подсолнечник и 1215 га занимали кориандр, сафлор и гречиха, после уборки которых сеяли озимую пшеницу и на небольшой площади — озимый ячмень. Поэтому в структуре посевов половину площади пашни занимали озимые зерновые, вторую половину — яровые культуры.

ООО «Добровольное» в эти годы тоже существенно (в 3 раза) уменьшило площадь чистых паров, и в 2019 году в хозяйстве 50% пашни занимала озимая пшеница, 36% засухоустойчивые нут и лён масличный и 14% было отведено под чистые пары. Но, в отличие от СПК «Архангельский», в ООО «Добровольное» ежегодно проводилась основная отвальная обработка почвы, которая сопровождалась мелкими промежуточными и предпосевными обработками для выравнивания поверхности почвы и борьбы с сорняками.

По этой причине в хозяйстве более влаголюбивые культуры (горох, гречиха, кукуруза и даже подсолнечник) не обеспечивают получение экономически значимого урожая, так как в результате обработки почвы, которая проводится ежегодно на всей площади, происходят большие непроизводительные потери влаги из-за её физического испарения с поверхности взрыхлённой почвы. Поэтому 12-14% пашни отводится под чистые пары, которые являются гарантом получения урожая озимой пшеницы, особенно в засушливые годы.

В СПК «Архангельский», использующем технологию Notill, благодаря большему, чем при рекомендованной обработке почвы, накоплению и лучшему сохранению влаги, вместо чистого пара стал возможным посев яровых культур. Позитивную роль в замене чистого пара на посев яровых культур и защите почв от эрозии играют остающаяся на поверхности почвы побочная продукция (растительные остатки) возделываемых культур.

Масса растительных остатков зависела от культуры, предшественника и погодных условий во время вегетации растений. Больше всего растительных остатков в среднем за 3 года наблюдений оставалось после кукурузы — 8,11 т/га, более 4 т/га — озимой пшеницы и подсолнечника (таблица 2).

Больше побочной продукции озимой пшеницы оставалось при посеве после гороха как предшественника — 5,88 т/га. На 1,12 и 1,19 т/га меньше после льна масличного и кукурузы, и наименьший выход растительных остатков озимой пшеницы после подсолнечника — 3,43 т/га. Существенно меньше побочной продукции остаётся после гороха — 2,96 т/га и самое меньшее их количество формирует лён масличный — 1,48 т/га. Во влажные годы возделываемые культуры развивали большую надземную массу и, соответственно, поступление растительных остатков увеличивалось по сравнению с более засушливыми годами.

Эффективность растительных остатков в борьбе с эрозией во многом зависела от способа уборки урожая и их распределения по поверхности поля. В этом отношении наиболее эффективным является уборка сельскохозяйственных культур методом очёса растений, когда специальные жатки убирают («очёсывают») только «плодовую» часть растений (колос, бобы, коробочки, метёлки и т.д.), а вся нетронутая надземная масса растений остаётся на поверхности почвы. Таким способом в СПК «Архангельский» убирают озимую пшеницу и лён масличный (рисунок 2).

Уборка озимой пшеницы и льна масличного методом очёса растений увеличивала эффективность защиты почв от эрозии. Нескошенные стебли растений надёжно защищали почву от ветровой эрозии в зимнее время, а к весне под действием снега и силы тяжести стебли озимой пшеницы укладывались на поверхности почвы ровным слоем, что обеспечивало защиту почв от водной эрозии, которая в эти годы не наблюдалась на полях хозяйства даже при большом накоплении снега и его интенсивном таянии весной.

Посев подсолнечника по такому многослойному «ковру» из стеблей прошлогодней озимой пшеницы обеспечивает надёжную защиту почвы в широких междурядьях от проявления ветровой и водной эрозии при выпадении интенсивных ливневых осадков. Таким образом, технология возделывания подсолнечника и других пропашных культур, которые сеются с широкими междурядьями, из эрозионно опасной при обработке почвы стала почвозащитной при их возделывании по технологии No-till (рисунок 3).

Довольно жесткие стебли льна масличного также обеспечивают защиту почв от ветровой эрозии, а вместе с посеянной озимой пшеницей — и эффективную защиту от водной эрозии. Во время вегетации озимой пшеницы летом следующего года стебли льна масличного уменьшают у поверхности почвы силу и скорость ветра, затеняют вегетирующие растения от прямых солнечных лучей, чем создают более комфортные условия для роста и развития озимой пшеницы.

В целом в СПК «Архангельский», например, в 2015 году, со всех возделываемых культур получено 55,2 тыс. т побочной продукции, обеспечившей поступление в среднем на 1 га пашни 3,42 т/га растительных остатков. В 2016 и в последующие годы, когда в хозяйстве не было чистых паров, общее количество побочной продукции составило порядка 70 тыс. т, или на 1 га пашни ежегодно поступало более 4 т растительных остатков, которые защищали почву от эрозии и не мешали работе посевных агрегатов.

Все растительные остатки убираемых культур оставались на поверхности почвы, но к моменту посева следующей культуры их количество уменьшалось. Перед посевом яровых культур (горох, подсолнечник, лён масличный и др.) на поверхности поля оставалось 61-69% растительных остатков предшествующей озимой пшеницы от первоначального их количества. Перед посевом озимой пшеницы оставалось больше растительных остатков предшествующих яровых культур — кукурузы, подсолнечника и льна масличного 92-96%, гороха — 72-75%. После уборки методом очёса растений остатки озимой пшеницы и льна масличного находились на поверхности почвы в течение трёх лет, проявляя свои защитные свойства, тогда как при их скашивании, измельчении и распылении по поверхности поля они разлагались микроорганизмами в течение двух лет. Также в течение трёх лет сохранялись стебли подсолнечника и кукурузы, тогда как побочная продукция гороха, нута и листья кукурузы перерабатываются почвенной микробиотой в течение одного года.

Несмотря на довольно продолжительное сохранение растительных остатков на поверхности почвы, их количество по мере работы хозяйства по технологии No-till не увеличивалось, что говорит о возрастающей активности почвенных микроорганизмов, разлагающих растительные остатки. Так в среднем за 2014-2016 гг. к весне следующего года растительных остатков гороха оставалось 1,4-1,6 т/га, кукурузы — 4,2-4,5, льна масличного — 1,1-1,2 т/га. После 7 лет работы по технологии No-till весной 2020 года их было даже меньше и составило, соответственно, 1,2; 3,2 и 1,0 т/ га, что было следствием сильной засухи 2019 года, в результате которой возделываемые растения снизили урожайность вегетативной массы и, соответственно, после их уборки поступило значительно меньше побочной продукции.

В ООО «Добровольное» количество растительных остатков после уборки такое же, как в СПК «Архангельский», а побочной продукции озимой пшеницы, возделываемой по чистому пару, значительно больше, чем после непаровых предшественников. Однако в этом хозяйстве уборку ведут на низком срезе (высота скашивания 5-6 см) и вся побочная продукция измельчается комбайнами на мелкие части и распыляется по поверхности поля.

Сразу после уборки урожая все поля дважды обрабатываются тяжелыми дисковыми боронами, в результате чего растительные остатки дополнительно измельчаются и перемешиваются с верхним десятисантиметровым слоем почвы. Во время основной осенней обработки плугами с отвалами все растительные остатки заделываются в почву на глубину 20-22 см. Поэтому зимой, весной, в начале лета и до появления всходов яровых культур растительные остатки на поверхности почвы отсутствуют, а на паровых полях они отсутствуют в течение года.

В таком состоянии поверхность почвы в ООО «Добровольное» является ветронеустойчивой и подвержена процессам дефляции. В СПК «Архангельский» при уборке методом очёса растений почва получает дополнительную защиту, повышая ветроустойчивость от сильных ветров за счет нескошенной растительной массы.

Так, по оперативной информации министерства сельского хозяйства, в Ставропольском крае в марте 2020 года наблюдалась пыльная буря, в результате которой пострадали посевы озимых культур на площади 79,3 тыс. га. Из них на площади 51,5 тыс. га ветром травмирован листовой аппарат растений, на 21,9 тыс. га посевы засыпаны мелкоземом и на 5,9 тыс. га наблюдалась гибель посевов. Пострадали посевы озимых культур и в ООО «Добровольное», тогда как в СПК «Архангельский» ветровой эрозии не наблюдалось.

Находящиеся на поверхности почвы растительные   остатки в технологии No-till являются естественным препятствием для стока воды, и скорость её потока существенно снижается, а оптимальная плотность и структура почвы, а также появившиеся вертикальные ходы дождевых червей и другой биоты обеспечивают ей хорошую водопроницаемость. Поэтому при снеготаянии и интенсивных осадках на равнинных и даже склоновых участках вода успевает полностью просочиться в почву, что предотвращает сток воды и исключает проявление «ручейковой» эрозии, что мы визуально наблюдали на полях хозяйства.

В совокупности названные выше процессы повышают содержание влаги в почве на полях хозяйства, что улучшает обеспечение влагой возделываемых культур и блокируют потери влаги на сток в пониженные участки рельефа, чем существенно снижают и/или прекращают водную эрозию на потенциально опасных участках расчлененного рельефа.

При дистанционном зондировании Земли на мультиспектральном космическом снимке участка № 1 территории СПК «Архангельский» перед началом освоения технологии прямого посева в 2013 году хорошо видны 3 участка (на рис. 4 выделены кружками) общей площадью 5,3 га, расположенные в днище водотока пересекающего поля с запада на восток. Весной они затапливались талыми водами, а летом здесь скапливались атмосферные осадки. Поэтому до введения технологии No-till эти участки было невозможно использовать в сельскохозяйственном производстве, так как к моменту посева яровых культур они затапливались водой, а при посеве озимых культур растения погибали весной по этой же причине (рисунок 4).

Восточнее участков с подтоплением отчетливо дешифрируется эрозионная ложбина, по бортам которой, преимущественно на склоне южной экспозиции, хорошо виден светлый контур, параллельный ложбине, характеризующий транзитную зону — смыв верхнего плодородного слоя почвы, как очевидное свидетельство процесса водной эрозии. Днище ложбины, где аккумулируются почвенные частицы, имеет на снимке более тёмный цвет, контрастный относительно зоны смыва и расположенных рядом почв полей. В 2019 году участки подтопления практически не дешифрируются (за некоторым исключением самого западного), что свидетельствует о снижении интенсивности эрозии за счет прекращения формирования водотоков или снижения их интенсивности. В настоящее время эти участки возвращены в сельскохозяйственное использование.

На другом участке пашни (№ 2) этого же хозяйства до применения технологии No-till также за счёт большого сбора воды с прилегающих территорий по дну понижения рельефа наблюдалась сильная линейная водная эрозия, в результате которой был смыт верхний плодородный слой и на поверхности оказались более глубокие, насыщенные карбонатами, и поэтому светлые горизонты почвы. В это время проезд поперёк этого понижения сеялочным или другим агрегатом был затруднён. Ежегодно при обработке почвы хозяйство выравнивало эрозионную канаву, но после весеннего снеготаяния и ливневых дождей она формировалась вновь, и даже посевы озимой пшеницы не могли сдержать процессы линейной эрозии (рисунок 5).

С началом применения технологии No-till сток воды с водосбора в ука-занное понижение сократился, что обеспечило прекращение водной эрозии, и плодородие этого участка начало постепенно восстанавливаться. Об этом свидетельствует цвет и текстура эрозионного размыва, и на шестой год исчезли очертания русла, оставив на снимке лишь темноцветный контур бывшего водотока.

В ООО «Добровольное» за эти годы из-за отсутствия на поверхности растительных остатков и ежегодной обработки почвы, наоборот, наблюдается усиление проявления водной эрозии не только в местах понижения рельефа, но и на довольно пологих полях хозяйства, расположенных на территории водосбора.

На мультиспектральной съемке на участке № 3 этого хозяйства в 2013 году дешифрируются линейные эрозионные размывы, особенностью которых является отсутствие четких границ, что свидетельствует о незначительной интенсивности водотоков, исключение составляет водоток, расположенный в южной части снимка (рисунок 6).

Через 6 лет в 2019 году на этом участке наблюдается формирование четких границ водотоков, что свидетельствует об усилении интенсивности стока. Это способствует образованию новых промоин, расширению эрозионной сети и со временем может трансформировать водоток в балку. Таким образом, в ООО «Добровольное» наблюдается переход водотоков из категории временных в категорию промоин с увеличением протяженности линейной сети с 9,0 км в 2013 году до 10,5 км в 2019 году.

В то же время на территории СПК «Архангельский» наблюдается сокращение линейной эрозии, ее протяженности с 23 до 13 км, что свидетельствует о снижении или полном прекращении процессов водной эрозии не только на полях, но и на эрозионно опасных пахотных участках хозяйства. По наблюдениям станции агрохимической службы «Прикумская», в этом хозяйстве в результате применения технологии Notill стабилизировалось содержание гумуса в почве, содержание доступного фосфора повысилось с 13 до 21 мг/кг, обменного калия — с 346 до 400 мг/кг почвы (по Мачигину). В других же близлежащих хозяйствах Будённовского района, в том числе в ООО «Добровольное», содержание гумуса и элементов питания в почве уменьшалось.

Выводы

1) Применение технологии No-till, предусматривающей обязательное оставление на поверхности почвы растительных остатков, обеспечивает в засушливых районах Ставрополья прекращение водноэрозионных процессов с восстановлением деградированного почвенного покрова.

2) Постоянно присутствующие на поверхности почвы растительные остатки, остающиеся после уборки очередной возделываемой в течение года культуры (яровой и/или озимой), достаточно эффективно заменяют естественный травяной покров, препятствуя развитию дефляционных процессов, характерных для рассматриваемого региона исследований.

3) Эффект защиты почвенного покрова от ветровой и водной эрозии растительными остатками положительно сказывается на стабилизации почвенного плодородия, предотвращая дегумификацию, усиливая микробиологические процессы и увеличивая в почвах содержание питательных элементов.

4) Применение чистых паров и ежегодная отвальная обработка почв с заделкой растительных остатков предшествующих культур приводит к усилению дефляции и линейной водной эрозии. В результате в зонах формирования эрозионной сети уменьшается мощность гумусового горизонта, усиливаются процессы деградации почв, что ведет к снижению урожайности культур и почвенного плодородия.

Читать 49 выпуск журнала "Ресурсосберегающее земледелие"