И.С. Белюченко, О.А. Мельник
Сельскохозяйственная экология
Учебное пособие. – Краснодар: Изд-во КГАУ, 2010. - 297 с.
7. Перспективы развития агроландшафтов
7.4. Основы современной системы земледелия
Принятая в настоящее время
интенсивная технология возделывания сельскохозяйственных культур является
весьма затратной по подготовке почвы, требует внесения высоких норм минеральных
удобрений и использования для борьбы с вредителями, болезнями и сорными
растениями большого количества пестицидов и потому оказывает негативное влияние
на развитие микробных и фаунитических сообществ, что нарушает процессы трансформации
органического вещества, азота и других элементов, а многочисленные обработки
почвы ведут к ее уплотнению, снижают активность зоо–и микробоценозов, влияют на
физико–химические и биологические процессы в почве (аэрация, кислотность,
загрязненность тяжелыми металлами, пестицидами, углеводородами), способствуют
разрушению гумуса, усиливают выветривание и вымывание растворенных питательных
веществ. Именно с этими негативными условиями интенсивной технологии и связаны
потери гумуса и питательных веществ, уменьшение гумусового горизонта почвы, что
приводит к нарушению экологического равновесия
сельскохозяйственных ландшафтов и «блокировке» функциональных возможностей их
природного биоэнергетического потенциала.
В Краснодарском
крае основная зона производства зерновых занята пока еще достаточно
плодородными почвами – различными типами черноземов (с преобладанием чернозема
обыкновенного), которые ежегодно, по нашим расчетам, на 1 га теряют около 700 кг гумуса, 30 кг азота, 15 кг фосфора и 100 кг калия. На склоновых участках балок гумуса теряется больше 1 т на 1 га в год. Применение на склонах химических
препаратов для борьбы с сорняками, болезнями и вредителями растений и внесение
больших норм удобрений является причиной аккумуляции химических веществ в
больших количествах в поймах рек и в их донных отложениях. За последние 60 лет
черноземы Кубани потеряли до 25–30% гумуса. Наибольшие его потери отмечены на
южных склонах балочных систем.
Вопрос динамики развития почв в связи с резким сокращением
в последние 20 лет внесения органических удобрений и отчуждением большой массы
урожая, накопленного за счет почвенных запасов элементов питания, переходящих
для растений в доступное состояние в процессе минерализации гумуса, является
важной причиной снижения плодородия почв в богарной зоне края. По нашим
расчетам, под посевами пшеницы в этой зоне ежегодно минерализуется до 1 т гумуса
и выше, а под пропашными культурами – более 2 т на га, под многолетними травами
минерализация гумуса не превышает 500–700 кг на 1 га.
Накопление органического вещества
в почве и его разложение в известной мере можно регулировать за счет
совершенствования посевных площадей и правильно разработанной технологии
севооборота (одно из основных направлений альтернативной системы земледелия). В
наших опытах при 30% насыщении севооборота многолетними травами, включая
бобовые, складывается низкодефицитный баланс гумуса в почве, а ежегодные его
потери составляют всего около 200–300 кг на 1 га. Если в севообороте доля зерновых культур доходит до 70%, то потери гумуса за год доходят до 2 т
на 1 га.
Снижение плодородия почв
определяется также почвоутомлением в связи со снижением в них активности
биологических сообществ, в составе которых отмечается повышение роли грамотрицательной
микрофлоры. Наряду с почвоутомлением (биологический токсикоз) возможен и
химический токсикоз почвы, возникающий при регулярном использовании химических
веществ. Так, при внесении химических удобрений (особенно фосфора) кроме
полезных элементов в почву поступает ряд загрязнителей, являющихся сопутствующей
частью этих удобрений; с фосфорными удобрениями поступает большое количество
хрома, меди, ванадия, стронция, а с органическими удобрениями – калия, свинца,
цинка. Если эта тенденция сохранится, то почва Краснодарского края будет сильно
загрязнена рядом тяжелых металлов уже через 20–30 лет.
Существующая система
земледелия негативно влияет на динамику тяжелых металлов и способствует
ускоренному их накоплению в верхних слоях почвы. Расчетным путем установлено,
что за 100 лет применения интенсивной технологии выращивания
сельскохозяйственных культур потери гумуса составят до 40% и больше.
Практически во всех районах края идет снижение потенциального плодородия при
отрицательном балансе питательных веществ, а внесение минеральных удобрений
усугубляет состояние почвенного покрова. Согласно исследованиям, проведенным кафедрой
общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета, свыше 26% богарных земель
края содержат гумуса меньше 3%.
Большой экологической
проблемой является загрязнение почв пестицидами. На всей территории богарной
зоны в почвах обнаружены хлорорганические вещества. Пестициды нового поколения
отличаются быстрым распадом на химические остатки, которые вступают в контакт с
химическими и органическими веществами почвы и образуют пока неизвестные по
своему действию соединения. Определенную заботу вызывают также отдельные
культуры, возделывание которых приводит к истощению почв, распространению
сорных растений и т.д. К таким культурам относятся подсолнечник, кукуруза,
сахарная свекла.
Высокая степень распашки степной зоны привела к резкому
ухудшению речных систем, загрязнению и практическому истощению пойменных
земель, изменению их растительных сообществ, а местами и к сильному
заболачиванию и смене растительных формаций. Сложившаяся ситуация в бассейнах
отдельных рек степной зоны края в ближайшие 10–15 лет при сохранении старых
подходов использования земель явится причиной полного уничтожения степных рек,
снижению плодородия почв и, прежде всего, содержания в них гумуса, что явится
основной причиной снижения качества урожая сельскохозяйственных культур.
Поэтому поиск новых методов и технологий, основанных на альтернативной системе
земледелия, в этой зоне будет способствовать стабилизации плодородия почвы и ее
качества (снижение загрязнения пестицидами, тяжелыми металлами,
нефтепродуктами), что является весьма актуальным.
Современная технология
отличается от интенсивной по сути дела переходом на двухвекторный характер
отношения человека и почвы (посев и уборка урожая) и базируется на сокращении
количества возделываемых культур и разработке на этой основе более
рационального севооборота, исключении из технологии постоянной пахоты,
вызывающей нарушение систем водного, воздушного, биологического, физического и
химического состояния почвы.
Важным элементом новой
технологии является внесение в почву органоминеральных удобрений (органические
и минеральные отходы) один раз в пять лет под определенную культуру (чаще под
кукурузу). Основная цель работы – исключить разрушающую технологию почвы,
снизить физическое давление на почву, максимально сохранять микробные и
фаунистические сообщества в почве, применять современные технологии посева,
ухода и уборки и получать экономически и экологически выгодный урожай. Фундаментальная
проблема, которая будет решена, в этом варианте – это прекращение потерь
органического вещества в почве на первом этапе, а в последующем – его
нарастание и поддержание, сохранение видового состава микрофлоры и зоофауны,
повышение качества получаемой продукции.
Основная задача
альтернативного направления заключается в разработке научной основы и
практических мероприятий по приостановке деградации ландшафтных систем и их
основных составляющих: почвенного и растительного покровов и степных водных
систем через внедрение новых методов ухода за посевами и уборки
сельскохозяйственных культур, а также современных систем севооборота. Такие
мероприятия направлены на обеспечение активного функционирования в почве
микробных и фаунистических сообществ, оптимизацию условий трансформации
органического вещества и элементов минерального питания с разработкой и внедрением
новой системы удобрения в севообороте.
Важной задачей также является разработка физических и
биологических основ, критериев и методов изучения экологического состояния и
развития почв агроладшафтных систем как весьма динамических биокосных
образований в антропогенных и природных потоках вещества и энергии.
Исследования включают разработку и внедрение экологических методов на основе
оценки структурных связей между компонентами биокосных систем (живые организмы
почвы, растения, микрофлора, химия и физика почвы), скоростями их трансформации
с учетом внешних антропогенных воздействий в виде биологических, химических
(деструкция органического вещества, химическое загрязнение тяжелыми металлами,
пестицидами, углеводородами, внесение удобрений) и физических (изменение
воздушного, водного и теплового режимов) факторов. При этом предполагается
установить зависимости, обобщающие реакцию биокосных систем на антропогенные воздействия
и использующиеся для разработки проектов реконструкции севооборотов,
соотношения структуры составляющих агроландшафтов, для экономической и
биологической оптимизации технологий выращивания сельскохозяйственных культур.
Методологическую основу исследований составляет комплексный
биологический подход к количественному описанию сложных динамических процессов
развития биотического и абиотического блоков агроландшафтных систем и их
компонентов с учетом принципов линейной и нелинейной кинетики и термодинамики.
В отличие от используемого в настоящее время в земледелии описания разного
квазиравновесного состояния учитывается нелинейная связь между составляющими
биокосных систем и интенсивностью их развития, что определяет множественность
состояния и возможность стабилизации систем за пределами равновесия и тем самым
обусловливает разнообразие режимов функционирования и устойчивость таких систем
в широком диапазоне колебания антропогенных нагрузок. Новую современную технологию
предполагается разрабатывать для крупных сельскохозяйственных предприятий
степной зоны края, где сформировались различные разновидности черноземов.
По природно-хозяйственным и агрономическим свойствам
степная зона края относится к зоне богарного земледелия, где основное место
занимают посевы озимой пшеницы. Формирование различных типов почв определилось
специфичностью рельефа, его изрезанностью, наличием большого количества
балочных систем и речных ландшафтов; на плакорах встречаются все подтипы черноземов,
их смытые разновидности на склонах балок и в понижениях рельефа – выщелоченного
чернозема, а на повышенных территориях – чернозема карбонатного. Растительный
покров этой территории в прошлом являлся основополагающим в ее почвообразовательном
процессе.
К сожалению, степные территории в отдельных местах распаханы
до 95%, и только разнотравные неудобья еще сохранились. Основные территории
заняты посевом сельскохозяйственных культур, возделывание которых определяет
применение мощной техники, внесение больших норм минеральных удобрений, химических
средств защиты и т.д. В связи с этим почвенный покров степной зоны претерпевал
очень большие изменения, что связано с ухудшением структуры пахотного слоя,
снижением запасов гумуса и питательных веществ в почве, развитием эрозионных процессов,
изменением кислотности почвы, ее гранулометрического и валового составов,
аэрации, водоудерживающей способности, повышением плотности и т.д. Все эти
негативные процессы способствуют снижению плодородия почв и урожая
сельскохозяйственных культур.
Проводимые исследования в
степной зоне края показывают, что изменения ряда позиций технологической
системы выращивания агрокультур (подготовка почвы, уход за посевами и уборка
урожая) могут быть скорректированы в значительной степени с точки зрения
снижения вмешательства человека в процессы функционирования микробных и
фаунистических систем, уменьшения физического давления на почву, минимизации
количества культур в севообороте, их чередования, совмещения и т.д.. Разработка
методов влияния на скорость процессов аммонификации и нитрификации азота в
почвах, производство органоминеральных компостов из органических и минеральных
отходов (навоз, солома, фосфогипс, осадки бытовых стоков и т.д.) и внесение их
в соответствующем звене севооборота будут способствовать возможности регулирования
многих почвенных процессов на культивируемых землях по аналогии с почвами
природных систем и многолетних залежей.
В результате таких
исследований ставится задача существенно снизить затраты в целом на всю технологическую
цепь выращивания экологически и экономически выгодной продукции, на сохранение
плодородия почв, на развитие сопряженно функционирующих составляющих в
конкретных речных бассейнах. Учитывая в целом слабую изученность физических и
химико-биологических свойств и процессов в почвах, в организации севооборотов в
современных условиях и доминирование проектных разработок в основном без
изучения поведения биокосных систем в целом, предлагаемый комплексный подход
будет использован в условиях южного региона страны. Важным методом исследований
будет моделирование динамических почвенных систем, которое позволит объединить
их внутренние взаимодействия с внешними, включая действия человека. Численное
решение моделей основывается на современных компьютерных программах.
Информационное обеспечение
основано на разработке новых инструментальных методов биогеофизических свойств
почв в процессе внедрения новых способов выращивания культур, включая
непрерывное отслеживание температуры, газового и солевого режимов почвы,
трансформации органического вещества и азота, микробиологии и фаунистики почвы.
Для изучения экологического состояния и функционирования почвы на ландшафтном
уровне планируется использование современных GIS-технологий.
Многие методы являются оригинальными и по своим качествам будут способствовать
повышению уровня таких исследований в нашем крае.
С учетом изложенных
подходов в современной системе земледелия можно выделить следующие разделы:
1. Разработка научно-обоснованных
критериев оценки экологического состояния и функционирования агроландшафтных
систем и методов их инструментального контроля.
2. Экологическое состояние
почвы и обобщение информации в зависимости от особенностей выращивания культур.
3. Изучение динамики
биогеофизических характеристик биокосных систем под воздействием физических,
химических и биологических факторов антропогенной природы.
4. Моделирование различных
режимов почв и развития растений в зависимости от их экологического состояния.
5. Разработка биолого-химических основ оптимизации технологии
выращивания культур.
В современной экологии проблеме состояния и функционирования
почв агроландшафтных систем уделяется большое внимание. Тем не менее, в
практической деятельности должного научного обоснования использования
сельскохозяйственных земель пока нет. Как правило, исследуются лишь фрагменты
проблемы: химическое загрязнение почв, патогенность почвенной микрофлоры,
азотфиксирующая способность микробных сообществ и т.д. Мало данных в зарубежной
и отечественной экологии по физическим и биологическим процессам, протекающим в
почвах под отдельными культурами. Объективно отсутствуют комплексные
биогеофизические последствия воздействия человека на почвы ландшафтов, которые
следует характеризовать как динамические биокосные системы в круговоротах
веществ и потоках энергии.
Предлагаемый подход дает возможность с новых позиций
оценивать экологическое состояние почв агроландшафтов, определять границы их
устойчивости к различным режимам, предвидеть последствия таких нагрузок и
разрабатывать научные проекты севооборотов с целью повышения плодородия почв и
получения экономически и экологически обоснованного урожая. Планируемые
исследования в методическом, научном и техническом плане соответствуют
современному мировому уровню. Многие из поставленных задач впервые ставятся в
региональной отечественной науке; предлагаемые методы их решения являются
новыми в сфере агроландшафтной экологии.
Таким образом, современные подходы в
системе земледелия, разрабатываемые в условиях степной зоны Краснодарского края
для аграрных ландшафтов направлена на внешние формы организации в плане
снижения антропогенных факторов на системы (сокращение обработки почвы, мульчирование
почвы, подготовка и внесение органоминеральных компостов и т.д.), оказывающих
весьма позитивное воздействие на экологическое состояние и развитие почв, как
открытых динамических биокосных систем. Исследования базируются на хорошо
освоенном аналитическом подходе изучения сложных динамических систем с
использованием инструментальных методов химической и биологической оценки
развития почв, растительного покрова и водных систем с включением практического
решения использования в качестве мелиорантов аграрных почв отходов сельского
хозяйства, быта и промышленного производства.
|