Системный подход к изучению почвы и проблем возделывания культур позволяет проверять соответствие наших научных знаний практическим задачам земледелия и одновременно выявлять пробелы в базовых знаниях

 

Авторы:
G.A.Peterson, D.G.Westfall, C.V.Cole

При изучении проблемы минимизации технологических операций, которые вызывали деградацию почвы и окружающей среды в период летнего пара, мы применили такой подход, чтобы повысить рентабельность земледелия. Многое известно о летней паровой системе обработки почвы на специфических земельных участках, но эти знания мало применяют в отношении почвенных и климатических градиентов. Интенсификация севооборота с использованием метода No-till может заменить летнее парование и увеличить продуктивность на единицу имеющейся влаги. При этом сокращаются эрозия почвы и потери органических веществ. Мы исследовали проблему на различном рельефе местности для лучшего выявления причины и следствия, и одновременно проводили фундаментальные исследования круговорота питательных веществ почвы и водного баланса. Такой подход можно эффективно использовать в качестве учебного пособия, способствующего передаче технологии от исследователя производителю.

Сокращения:
ET – эвапотранспирация; WF – пшеница-пар; CF – кукуруза-пар, WC (S) F – пшеница-кукуруза (сорго обыкновенное)-пар; WC (S) MF – пшеница-кукуруза (сорго обыкновенное)-просо- пар; OPP – возможность; Г – трава; WUE – эффективность использования воды.

Трансформация исследовательских подходов

Современные агрономические исследования начинались в 19 столетии. Эксперименты в Rothamsted (Англия), инициатором которых выступил фермер-агроном Lawes, позволили сравнить эффективность применения навоза и различных комбинаций минеральных удобрений на больших, нерепликационных земельных участках (Rothamsted, опытное поле, 1984). Стационары в Морроу (Иллинойс) и Санборне (Миссури) – примеры аналогичного подхода в США. Изучаемые явления в этих экспериментах выступали как отдельные агротехнологические факторы. Изначально наблюдалось два недостатка: (І) невозможность различить биологическую изменчивость и реальные различия за счет изучаемого фактора; (ІІ) невозможность определять, почему и как были получены наблюдаемые результаты. Появление современных математических методов оценки достоверности биологических измерений по Фишеру (1925) открыло для агрономов новые направления исследования. Развивалось понимание биологической изменчивости и методов, позволяющих оценить эту изменчивость количественно. Факториальный механизм обработки и метод дисперсионного анализа позволили исследовать специфические вопросы и лучше понять причинно-следственные связи. Это обусловило начало исследований на небольших земельных участках.

Но при изучении одной или двух переменных одновременно с другими константами стала очевидной потребность определять причинно-следственные связи. Это привело к проведению еще более узких экспериментов и ослаблению связи между ними. Меньше внимания стали уделять изучению и пониманию систем земледелия. Базовые знания начали расширяться настолько, что агрономам стало сложно в них разобраться, а тем более применить в реальных системах земледелия.

Проблема продолжила усугубляться на пороге 21 столетия из-за ускоренного расширения базовых знаний. Как обобщить информацию для понимания сложных вопросов на более высоком системном уровне? Elliott и Cole (1989) проиллюстрировали научный подход, объединивший результаты исследований технологического процесса и полевых опытов через использование моделирования и географических информационных систем. На первый план выдвинули потребность понять многочисленные взаимодействия и обратные связи, которые отличаются как при изменении климата, так и при организации производства. Цели экологов и ученых-аграриев сходятся в изучении агроэкосистемы. Целесообразно разработать модель агроэкосистемы, позволяющую оценить влияние системы земледелия и климатических изменений на продуктивность экосистемы и ее устойчивость.

Рис. 1. Информационные требования и структура долгосрочной и крупномасштабной оценки агроэкосистемы (по определению Elliott и Cole, 1989).

Как показано на рис. 1, многие факторы вовлечены в модель агроэкосистемы, которая предоставляет возможность регионального прогнозирования. Цель этой статьи состоит в том, чтобы описать, как мы исследовали проблему экосистемы, применительно к разным ландшафтам.

Влияние систем обработки почвы и возделывания культур изучалось во взаимодействии с климатическим и почвенным градиентами, включая систему обратной связи (рис. 1). Конечной целью являлась точная обстоятельная модель управления агроэкосистемы, необходимая как для изучения продуктивности почвы, так и для принятия решений фермерами. В своей научно-исследовательской работе мы обращались к региональной и географической информации, учитывали результаты полевых опытов исследования технологического процесса и рассчитывали реальные экономические затраты и прибыль.

Исследование проблем агроэкосистемы

Зависимость от летнего пара для зоны Великих равнин возрастала, начиная с 1920 года до настоящего времени. Получение стабильного урожая благодаря системе парования сопровождалось несколькими негативными последствиями, три из которых угрожают устойчивости земледелия на Равнинах.

Первое – это частая механическая обработка. Необходимая для уничтожения сорняков в период парования, она разрушает покрытие из пожнивных остатков и уменьшает размер и стабильность почвенных агрегатов, усиливая эрозионные процессы, как ветровые, так и водные.

Второе – низкая эффективность использования осадков. Данные, собранные от Северной Дакоты до Техаса за последние 40 лет, показывают, что в почве накапливается и сохраняется менее 25% осадков, полученных в течение парового периода (Haas и др., 1974). Ускоренное испарение и поверхностный сток – это ворота для потери влаги. При этом поверхностный сток усиливает потенциал эрозии.

Третье – потеря почвой органических веществ C и N. Haas и др. (1957) сообщают о потерях азота от 24 до 60% после 30-43 лет чистого выращивания культур с механической обработкой почвы. Потери органического вещества еще существеннее. Многократные обработки парового поля уменьшают размер почвенных агрегатов, разрушают покрытие и таким образом ускоряют окисление C и минерализацию N. Добавление остатков в почву происходит только один раз в два года, поэтому общее количество возвращенного C под паром также уменьшается, что способствует дальнейшему ускорению потерь C.

Современные исследования показали, что от 40 до 60% осадков, выпадающих в течение 14-месячного пара, можно сохранить при минимальной или ограниченной обработке почвы (Fenster и Peterson, 1979; Greb, 1979; Smika и Greb, 1978; Smika и Wicks, 1968). Smika и Wicks (1968) сообщали, что выращивание культур на протяжении 2 лет в 3-летнем цикле возможно с применением метода No-till в отличие от варианта 1 год в 2-летнем цикле со стандартно практикуемой вспашкой в севообороте WF.

Dickey и др. (1984) установили, что применение методов No-till сокращает водную эрозию на 95% в течение парового периода в севообороте WF. Увеличение урожайности культур стало результатом улучшения накопления и сохранения влаги благодаря большему количеству пожнивных остатков, что в свою очередь улучшает контроль эрозии.

При применении No-till в севообороте WF потери азота из почвы составили лишь 3%, в то время как при обработке плугом потери азота за 12-летний период достигали 19%. По данным Эллиотта (1986), метод No-till обеспечил увеличение накопления влаги по сравнению с чистой паровой пашней. При этом интенсификация растениеводства способствует увеличению количества гумуса в почве (Wood и др., 1991).

Как пополнить базы данных?

Практика свидетельствует, что при помощи минимальной или нулевой обработки можно полностью остановить процессы деградации и что почвы способны восстановить потенциал продуктивности, который был потерян в течение последних 50-75 лет использования интенсивной механической обработки.

К сожалению, было проведено мало экспериментов, чтобы можно было оценить воздействие No-till и трансформированных севооборотов на систему земледелия в целом. Например, в Акроне (Колорадо), где уровень осадков составляет в среднем 400 мм в год, исследователи обнаружили, что кукурузу (Zea mays L.) можно включить в севооборот WCF без снижения урожая пшеницы по сравнению с традиционной системой WF. Но можно ли результаты, полученные в Акроне, экстраполировать на другие регионы? Так как осадки и градиенты потенциального суммарного испарения изменяются во всех направлениях, на этот вопрос нельзя ответить на основе имеющихся данных. Большинство экспериментов проводилось на экспериментальных полях с неэродированными почвами средне- и мелкокомковатого состава, обладающих высокой продуктивностью. Насколько применимы результаты этих исследований на почвах с более низким или более высоким потенциалом продуктивности? А если время пара уменьшено, то какая последовательность чередования культур в севообороте должна использоваться и на каких почвах? Можно ли сохранить достаточное количество пожнивных остатков, если в севообороте выращивались пропашные культуры (кукуруза, сорго обыкновенное)? Каковы долгосрочные эффекты интенсификации систем возделывания культур на органический материал почвы и ее физические свойства в контексте накопления осадков? И самое главное: какие системы земледелия являются экономически и экологически стабильными на всех почвенных рельефах?

Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо выбрать систему последовательности выращивания культур и обработки почвы в богарном земледелии, способную повысить эффективность использования влаги растениями, сохранить продуктивность почвы и одновременно обеспечить экономически стабильный уровень производства. Результат этого подхода меняется в зависимости от цели. Для агрономов, это – определение количественных связей между различными операциями обработки почвы, определение и характеристика обратных связей системы и выявление дефицита знаний. Последнее приведет к реорганизации предметов исследования, обеспечивающей развитие концептуальных моделей системы выращивания культур и обработки почвы (агроэкосистемы), которые смогут функционировать в широком диапазоне почв и окружающей среды. Для фермеров – это ориентированная на потребителя модель ведения хозяйства, позволяющая оценить выгодность новых агротехнологий и осознать риски, связанные с их применением. Объединение этих целей позволит использовать системный подход в планировании и управлении современными экспериментальными исследованиями.

(Продолжение в следующем выпуске журнала «ЗЕРНО»)
(Опубликовано в №08, 2008 г.)