НОВОСТИ

Управляем свойствами почвы

ТЕГИ:

Доктор Ди Энн Пресли, Университет Штата Канзас, США

Древние цивилизации располагались на плодородных почвах рядом с запасами свежей воды. Империи стремились расширить свои территории за счет регионов с высококачественными почвами. Все цивилизации оставались мощными до тех пор, пока не разрушали свои почвы

Рукотворная эрозия

В современном мире государства могут стать богатыми и без хорошей почвенной базы, но как долго они будут мощными и стабильными? Как будущие изменения климата повлияют на нашу базу ресурсов и нашу способность производить продовольствие, корм для скота, топливо и волокна? На планете очень мало пространства для расширения площадей самовосстанавливающегося земледелия. Деградация земли происходит практически на любом континенте, поскольку почва эродирует (возвышенности восточной Африки, вырубленные тропические леса Южной Америки), становится засоленной (юго-западная Азия, некоторые части США) или слишком сухой (Австралия) для производства культур.

Пиментал с соавторами подсчитали, что каждый год более 10 млн га разрушаются под воздействием эрозии, а в период с 1955 по 1995 год примерно треть возделываемых земель в мире была утрачена по этой причине.

Исторически производство культур приводило к истощению почвенных ресурсов. На Великих равнинах США, регионе, похожем на Украину, в конце 1800-х уровни содержания органического вещества сократились почти на 50% с момента начала земледелия. Земля обрабатывалась отвальными плугами, чтобы разбить целину, в течение следующих пятидесяти лет зерно выращивали, не применяя удобрений. Мы истощили почвенные запасы ценных питательных веществ, таких как азот, фосфор, калий, и многих других микроэлементов, включая серу, цинк и пр. Совсем небольшое их количество компенсировано за счет навоза животных, некоторая часть серы и азота возвращена обратно в почву в результате загрязнения атмосферы. В период с 1800-х по 1930-е годы территории обитания населения США расширились на запад до Великих равнин.

Рисунок 1. Пыльный котел

Глубокие слои чернозема в Украине и мощные слои моллисолей на Великих равнинах США - очень похожие почвы, которые образовались изначально из известковых лессовых отложений. Лесс в основном состоит из илистых частиц (2-50 рм в диаметре), откладываемых с помощью ветра. Этот слой сформировался из выветренных горных материнских пород и осадка, образовавшегося при таянии альпийских ледников в конце плейстоценового периода и обогащенного питательными веществами. После того как стабилизировался ландшафт прерий, благодаря растительности появился глубокий слой темных почв, которые мы сейчас называем моллисолями. Во многих почвах Канзаса содержится около 0,5 м этого мощного темного верхнего слоя почвы. Фермеры на Великих равнинах использовали отвальные плуги для обработки целинных земель. Это совпало с очень влажным периодом, согласно нашей регистрации, климатических данных. Урожаи пшеницы были высокими,и фермерские хозяйства процветали. Во время мировых войн производство зерна значительно увеличилось, все больше и больше земель запускалось в обработку, что привело к непредвиденным последствиям для окружающей среды.

Наиболее тяжелыми для США оказались 1930-е годы. Произошли события, изменившие привычное земледелие. Этот период назван Великой депрессией из-за экономической ситуации (1929-1939 гг.). Центральный регион США называют «Пыльный котел» из-за степени разрушения почвы в результате воздействия ветровой эрозии в штатах Канзас, Оклахома, Техас, Колорадо и Нью-Мексико в период с 1931 по 1939 год. В ежегоднике сельского хозяйства США сообщалось: «Примерно 87 500 000 га ранее обрабатываемых земель полностью разрушены и непригодны для выращивания культур... 40 млн га, занятые сейчас под культурами, утратили весь или почти весь верхний слой. 50 млн га быстро теряют верхний слой вследствие сильной ветровой эрозии в период с 1931 по 1939 год».

Влияние механической обработки почвы на содержание органики

Одновременно с потерей почвы в результате эрозии терялось органическое вещество из-за механической обработки почвы, влияние которой на содержание органического вещества хорошо отображено в документах (Tiessen et al., 1982; Odell et al., 1984; Elliot, 1986; Guzman et al., 2006; Mikha et al., 2006). Фоллет и Шимель (1989) зафиксировали влияние механической обработки в севообороте пшеница-пар в Сиднее, Небраска. Они установили, что органическое вещество за 16 лет уменьшилось на 25% при минимальной обработке и на 37% в системе вспашки. Халворсон с соавт. (2002) обнаружили высокий уровень содержания углерода на No-till почвах в Колорадо, где интенсивно выращивались культуры и не применялся пар. МакВэй и соавт. (2006), проанализировав пять длительных исследований, проведенных в Канзасе, установили, что уменьшение механической обработки, увеличение внесения удобрений и севообороты, включавшие в себя, по меньшей мере, одну злаковую культуру, привели к увеличению содержания почвенного углерода в верхних 5 см почвы.

Таблица. Количество питательных веществ, остающихся в стерне пшеницы

Рисунок. Органический углерод почвы

Микроорганизмы способствуют самовосстановлению почвы

Со временем культивация может значительно уменьшить уровни содержания органического вещества. При постоянной заделке или, что еще хуже, удалении растительных остатков с поля органическому веществу не дают возможности восстановиться, а ведь оно полезно для роста растений, поскольку улучшает водоудерживающую способность почвы и емкость катионного обмена.

Растительные остатки и верхний слой почвы представляют собой среду обитания для почвенных организмов, которые перерабатывают и возвращают в почву многие питательные вещества. Чередование типов культур является важным моментом, так как привносит разнообразие в экосистему почвы, что помогает нарушить циклы развития сорняков и болезней культур. Кроме того, разные структуры корней создают уникальные макропоры в почве, а это при No-till улучшает инфильтрацию воды. Что касается круговорота питательных веществ, то увеличенная микробиальная биомасса может быстрее перерабатывать питательные вещества. В некоторых более влажных почвах микробы могут удерживать подвижные питательные вещества, например, азот, необходимый в почвах, склонных к выносу питательных веществ. Разнообразие микроорганизмов может помочь в подавлении болезней, поскольку микробы конкурируют с патогенными организмами за ресурсы.

Таблица 1. Сравнение скорости стока воды с кукурузных полей

Растительны остатки - защита почвы

Механическая обработка почвы исторически применялась для подготовки семенного ложа к посеву и контроля сорняков. Однако в процессе механической обработки разрушается естественная структура почвы и ее агрегаты.

Без растительных остатков почва подвергается разрушительному воздействию капель дождя, из-за чего увеличивается уровень потери почвы. Непокрытая, механически обработанная почва может утрачивать более 75 мг/га верхнего слоя ежегодно; при No-till растительные остатки оставляют на поверхности почвы, благодаря чему ежегодные потери почвы зачастую составляют менее 3 мг/га. Воздействие дождевых капель может способствовать образованию корки на поверхности почвы, что нередко приводит к стоку вместе с осадками, и таким образом, к уменьшению инфильтрации воды и более сухой почве.

Оставляя растительные остатки на поле, можно увеличивать твердость поверхности, уменьшая тем самым риск ветровой и водной эрозии. Для предотвращения водной эрозии может понадобиться 30% или больше растительного покрова, особенно в полях без структур для контроля эрозии, таких как террасы или противоэрозионные полосы. Лайлз (1975) определил, что ежегодно ветровая эрозия в Канзасе (где посевные площади составляют 5%) приводила к потере более 14 000 мг зернового сорго.

Удержание и сохранение выпавших осадков

Растительные остатки культуры помогают сохранять выпавшие осадки, особенно за счет задержания снега зимой и уменьшения испарения влаги из почвы весной и летом. Они физически защищают поверхность почвы и позволяют воде проникать через поверхность почвы внутрь. Без такой защиты вода и почва будут стекать с поверхности гораздо быстрее. Использование симулятора дождя в Канзасе в 1990х годах показало, что в почву, покрытую соломой пшеницы, могло проникать на 1-8 см влаги больше, чем в непокрытую, до того, как происходил сток. Растительные остатки увеличивают также содержание влаги в почве за счет уменьшения скорости испарения.

Было отмечено, что сохранение воды в почве увеличивалось при выращивании пшеницы и зернового сорго по No-till как в качестве монокультур, так и в севооборотах (Norwood, 1994; Peterson et al., 1996). В нескольких длительных экспериментах на участках с No-till, благодаря более крупным почвенным агрегатам и растительным остаткам, поглощающим энергию дождевых капель, а также образованию макропор, отмечались более высокие темпы инфильтрации и меньшая объемная плотность по сравнению с участками под традиционной обработкой. Однако в засушливых условиях с ограниченным количеством влаги и растительных остатков на Великих равнинах наблюдалась про-

тивоположная ситуация (Baumhardt and Jones, 2002; Pikul et al., 2006). Арманд с соавт. (2009), проанализировав несколько исследований по сравнению различных методов обработки почвы, пришли к выводу, что больший сток иногда наблюдался при No-till в том случае, если количество растительных остатков было недостаточно, чтобы защитить поверхность почвы от разрушения во время дождя. Но даже в исследованиях, где отмечался больший сток при No-till, чем при традиционной обработке, интенсивность эрозии и потери осадка были ниже при NT (Armand et al., 2009).

Инфильтрация зависела от времени и зачастую сразу после традиционной обработки почвы она была больше, затем уменьшалась (Pikul et al., 2006). Инфильтрация может также зависеть от пространства и может изменяться при длительном No-till. В своей работе Нойрат (2005), исследуя участки с длительным применением No-till, пришел к выводу, что большая часть инфильтрации влаги, накопленной на поверхности, происходила на 23% площади инфильтрации, где наблюдалась значительная пространственная неоднородность. Более глубокие макропоры были при NT (Hangen et al., 2002; Wahl et al., 2004), хотя Валь (2004) обнаружил больше макропор в верхних 10 см почвы при традиционной обработке, чем при NT.

График. Количество инфильтрованных осадков

Улучшение структуры и качества почвы

Обработка почвы влияет на изменение в объемной плотности и прочности агрегатов (Lupwayi et al., 2001; Pikul et al., 2006). Прочность агрегатов зависит от содержания органического вещества почвы (Angers et al., 1992), поскольку последнее считается основным веществом, связывающим агрегаты почвы (Tisdall and Oades, 1982). Тисдал и Оудз (1982), Элиот (1986) и Энджерс с соавт. (1992) наблюдали уменьшение органического вещества при разрушении структуры почвы. Это может быть обусловлено защитой органического вещества от разложения микроорганизмами посредством поглощения глинистыми минералами (Hassink et al., 1993) и фиксацией внутри почвенных агрегатов (Tisdall and Oades, 1982). No-till способствует производству большего количества (и более крупных) водоустойчивых агрегатов по сравнению с методами интенсивной обработки почвы (Angers et al., 1993; McVay et al., 2006). Сикс (2000) наблюдал увеличение массы макроагрегатов и уменьшение микроагрегатов при NT в сравнении с традиционной обработкой. В исследовании, проведенном Говертцом с соавторами (2009) в центральной части Мексиканских возвышенностей, было отмечено, что нулевая обработка способствовала формированию более крупных агрегатов почвы, но не было обнаружено влияния севооборота на размер агрегатов почвы. Качество почвы повышается при No-till, так как структурированные почвы менее подвержены образованию корки на поверхности и затвердению при высыхании (Karunatilake and van Es, 2002).

Наша цель должна заключаться в рациональном управлении почвенными (и водными) ресурсами, которые у нас остались. Мы не должны разрушать, уплотнять и окислять

органическое вещество в наших почвах, а наоборот - сохранять и улучшать его способность выполнять важные, животворные функции. Нужно сохранить высококачественные почвы, которые есть в степях Украины и на Великих равнинах США, и восстановить там, где мы разрушили их в результате более 150 лет культивации. Даже самые плодородные почвы разрушаются при использовании методов, не способствующих самовосстановлению почвы. Необходимо оставлять растительные остатки на поверхности почвы после уборки урожая как можно больше и как можно равномернее. Нужно использовать технику для прямого посева и такую технику для уборки, которая может управлять растительными остатками, а также севообороты, включающие, по меньшей мере, одну злаковую культуру.

Современные методы управления почвой и растительными остатками в сочетании с использованием разнообразных и насыщенных севооборотов могут увеличить объемы производства культур, одновременно сохраняя или улучшая свойства почвы, которые поддерживают критически важные функции.

ВИДЕО
СОБЫТИЯ