Системы выращивания культур и обработки почвы, которые мы изучаем, имеют четыре переменные : (I) климат, (II) вид почвы, (III) система севооборота и (IV) время.

Автор:
Г. Петерсон, Д. Вестфол, К. Коул

(Продолжение. Начало читайте в предыдущем выпуске журнала «ЗЕРНО»)

Важные переменные

Системы выращивания культур и обработки почвы, которые мы изучаем, имеют четыре переменные : (I) климат, (II) вид почвы, (III) система севооборота и (IV) время.

Климатический режим базируется на трех уровнях потенциала эвапотранспирации (суммарного испарения). Он представлен тремя участками в восточном Колорадо с различным градиентом потенциальной ET (рис. 2): в Стерлинге – низкая ET (40,37 град. N, 103,13 град. W), в Страттоне – средняя (39,18 град. N, 102,26 град.W) и в Уэлше высокая (37,23 град. N, 102,17 град. W). Уровень осадков на всех участках в среднем составляет от 400 до 450 мм, но потенциал ET существенно отличается на севере и на юге. Индекс суммарного испарения, открытое почвенное испарение в период выращивания культур, в среднем составляет от 1000 мм на севере (Стерлинг, низкая ET) до 1900 мм на юге Уэлша ( высокая ET).

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.

Рис. 2 . Места проведения опытов в Восточном Колорадо с соответствующим вегетационным периодом, открытым почвенным испарением и классификация эвапотранспирации

Переменная почвы также имеет три уровня. Она зависит от расположения участка на рельефе местности и представлена катенарной последовательностью трех типов почв на каждом участке, характерном для той или иной географической зоны. Почвы также различаются определенными свойствами, независимо от крутизны склона. Все опытные поля пахали и использовали в основном севооборот пшеница-пар или сорго обыкновенное в течение 50 лет в частных хозяйствах. Во время подбора участков топографически изучалась экспериментальная площадь с помощью специальной сетки, размером 15,2х15,2 м.

Образцы почвы брались из каждого квадрата сетки до глубины 60 см с интервалами от 0 до 10, от 10 до 20, от 20 до 30 и от 30 до 60 см и анализировались на содержание NaHCО3-P, органики C и почвенного показателя pH.

 

 

 

 


Рис. 3. Топографическая карта расположения опытного участка в Стерлинге (низкая эвапотранспирация)

Топографическая карта опытного поля в Стерлинге (рис. 3) – пример спланированного разнообразия почвы в пределах одного участка. Три разных вида почвы (табл.1) обозначены на каждом из участков как вершина склона, средняя часть и подножие склона. Все необходимые измерения проводились на каждой экспериментальной единице в пределах контрольной площадки.

Третья переменная (система севооборота) внедрялась с учетом географической последовательности почвы (рис. 4). Система севооборотов представлена континуумом с возрастающей интенсивностью культур и меньшим количеством периодов пара. Севооборот включал следующие варианты: пшеница-пар, пшеница-кукуруза (сорго обыкновенное)-пар, пшеница-кукуруза (сорго)-просо-пар, потенциальный севооборот и травы. Все варианты обрабатывались по технологии No-till, чтобы обеспечить максимальное сохранение влаги. Зерновое сорго обыкновенное заменило кукурузу на участке с самым высоким потенциалом ET в Уэлше.

Рис. 4. Схематическая диаграмма типичности почв и размещение севооборотов на катене

Потенциальный севооборот – это система длительного выращивания одной культуры, но не монокультуры. При этом выбор культур зависел от количества сохраненной влаги в почве в данное время. Вариант с многолетними травами представляет приближение к естественной растительности прерий и обеспечивает условия с минимальным уровнем эрозии почвы и максимальным потенциалом использования влаги. Травы также способствовали накоплению органического материала и восстановлению структуры почвы. Высевалась смесь трав, а именно: пырей пустынный, пырей Смита, бухлоэ (бизонова трава), бутелоуа коротконисходящая и грамова трава.

Четвертая переменная (время) представлена с учетом того, что опыт планировался минимум на 20 лет (5 ротаций четырехпольного севооборота).

Экспериментальная единица – отдельная площадка определенного типа почвы в пределах земельного участка и в пределах системы севооборота. Размер каждой отдельной экспериментальной единицы разный. Все поля имеют ширину 6,1 м, но отличаются по длине в зависимости от участка (от 185 до 305 м). Площади контрольных почв также различны.

Экспериментальный проект является опытом с разделением по блокам, который включает следующие параметры: климат (низкая, средняя и высокая ET), позиция склона (вершина, середина, подножие), севооборот (пшеница-пар, пшеница-кукуруза-пар, пшеница-кукуруза-просо-пар). Все варианты каждого севооборота присутствуют в каждом из двух повторений ежегодно. Месторасположение является самым важным показателем в блоке распределения. Каждое место разделено на два блока (репликации). Позиция склона является вторым показателем в блоке разделения, хотя эту переменную нельзя выбирать произвольно. Варианты каждого севооборота произвольно размещены внутри каждого блока, и распространялись по всей длине катенарной последовательности почвы. Рисунок 4 иллюстрирует схему размещения, но не показывает каждый блок и каждый вариант севооборота, как это обычно происходит на поле.

Анализ результатов проводился с использованием системы статистических анализов для проверки всех основных процессов и их взаимодействия (Институт САС, 1991). LSD (наименьшая существенная разница) использовалась для определения усредненной разницы с учетом погрешности. Когда взаимодействия были значительными, вычисляли LSD.

Присутствие всех вариантов севооборотов является необходимым для тщательной интерпретации данных. Все системы должны сравниваться хотя бы раз в год, поскольку все культуры в данной системе ежегодно присутствуют и подвержены влиянию условий окружающей среды, характерных для данного года. Это позволяет нам сравнивать системы, даже если все циклы севооборотов повторяются.

Во всех севооборотах применялась технология No-till. В контроле сорняков предпочтение отдавалось применению гербицидов во избежание проблем безгербицидного выращивания культур в севообороте. Программы применения гербицидов составляются ежегодно (Peterson и др., 1992) и постоянно корректируются с учетом новых, менее дорогих и более безопасных для окружающей среды продуктов.

Азотные удобрения вносились на каждом опытном поле согласно тестам почвы, полученным из каждой контрольной почвы в пределах каждого севооборота, и специфике культур, выращиваемых в данный год. Почвенные профили были проанализированы на глубине от 30 до 180 см – до материнской породы. Образцы анализировались на наличие NО3 и NH4. Сведения о наличии NО3 были использованы, чтобы определять количество азотного удобрения, требовавшегося для получения урожая культур при каждой из трех специфических позиций почвы. Источник азотного удобрения, мочевина – NH43 (32-0-0), была применена при посеве прямым методом. Фосфорное удобрение вносилось в виде раствора 10-15-0 во время посева каждой культуры на одной из половин каждого экспериментального поля. P-показатель составил 9,5 кг/гa. Результаты оценивались по общей продуктивности посева, эффективности использования влаги, изменениям в химических, физических, микробиологических свойствах почвы и экономическим расчетам.

Все почвенные образцы, урожай и массу пожнивных остатков отбирали с каждой экспериментальной единицы в пределах каждой контрольной почвы на данную дискретную дату. Дискретные даты менялись в зависимости от культуры севооборота.

Чтобы оценивать и системно характеризовать результаты, на каждом участке проводили периодически следующие измерения:

1. Климатические данные: температура воздуха, температура почвы на двух глубинах, относительная влажность, количество осадков, общая солнечная радиация, направление и скорость ветра. Потенциальное суммарное испарение вычислялось с учетом вышеуказанных переменных.

2. Почва: содержание влаги в определенное временя в каждом севообороте на каждой контрольной почве с использованием нейтронного влагомера; скорость инфильтрации (просачивания); твердость почвы; водопрочность почвенных агрегатов, структура почвы; объемная масса; полевая влагоемкость; влажность увядания; содержание органики C; уровень азота, NaHCО3-P, NО3 и NH4. Образцы, получаемые ежегодно из каждой контрольной почвы на каждой экспериментальной единице, сохраняются для изучения в будущем.

3. Сухое вещество: урожаи зерновых убирали комбайном, солому – вручную на маленькой площади с каждой экспериментальной единицы. Все зерно и солома анализировались на содержание азота и фосфора.

4. Масса пожнивных остатков определялась в период посева и в период сбора урожая. Измерения проводились по каждой культуре, на каждой почве, в каждом севообороте.

Урожайность

Результаты установленных обратных связей между факторами за период от 1989 до 1991 года иллюстрируют значение системного подхода. Использовалась диагностика для системной оценки: урожая (зерно или фураж), эффективности использования влаги, накопления растительных остатков и изменения органического материала почвы во времени.

Чтобы расчетные показатели корректно сравнивать в системах, которые включают летний пар, урожаи пересчитаны на среднегодовые показатели (с учетом общего количества лет в севообороте, включая паровой год). Системные расчеты могут быть сделаны для любого отрезка времени, даже если каждая система не может включать одинаковое количество циклов, поскольку все культуры представлены ежегодно в каждом севообороте. Среднегодовые показатели продуктивности оцениваются суммированием урожаев всех культур в пересчете на абсолютно сухое вещество и делением на общее число лет в севообороте. Например, для севооборота WCMF суммарный урожай делили на 4.

Рис 5. Севооборот пшеница-пар, пшеница-кукуруза (сорго)-пар, пшеница-кукуруза(сорго)-просо-пар с учетом среднегодового показателя урожая зерновых, соломы и общей биомассы (1989-1991 г.г.) во всех климатических зонах и видах почв

На рис. 5 предоставлены данные, которые получают в результате долговременного опыта с севооборотами, проведенного в одном месте. Используя сетевое размещение агроэкосистемы, мы можем оценить результаты опытов с севооборотами, которые заложены по одной методике, но расположены на разных почвах с неизменным потенциалом суммарного испарения.

Урожайность зерна очень чувствительный параметр в условиях ограниченной влажности. Как наиболее обобщающий показатель он является первоочередной результативной переменной. Повышение интенсификации севооборота WF путем увеличения количества культур и снижения длительности летнего пара повысили среднегодовые показатели урожая зерновых во всех климатических условиях и на всех почвах, однако не точно так, как рассчитано при взаимодействии трех переменных.

При низкой ЕТ на участке (Стерлинг) увеличение интенсивности севооборота CF до севооборота WCF и WCMF повысило урожайность зерновых на 960 и 260 кг/гa, соответственно, в среднем на всех почвах. Только почва середины склона не дала положительных результатов в самом длинном севообороте WC(S)MF.

Урожайность на участках со средней и высокой ЕТ повысилась на всех почвах при переходе от двухпольного севооборота (WF) к трехпольному (WC(S)F), но дальнейшая интенсификация севооборота WC(S)F до WC(S)MF. не дала прибавки урожая ни на одной из почв.

Результат перехода от трехпольного к четырехпольному севообороту WC(S)MF существенно отличался в зависимости от типа почвы. Эти данные иллюстрируют, почему необходимо при исследовании агроэкосистем работать с градиентами и определять количественно взаимодействие факторов. Так как разница результатов в зависимости от севооборота в разных климатических условиях является очевидной, сбор данных в течение долгосрочного периода (переменная – время) покажет истинную важность и цель чередования культур в севообороте в зависимости от типа почвы. Увеличение интенсивности севооборота, даже в неблагоприятных условиях окружающей среды, может быть экономически и экологически стабильной практикой.

Почвенные условия существенно воздействовали на продуктивность зерновых во всех севооборотах. Увеличение продуктивности (в абсолютных величинах) за счет повышения интенсивности севооборота было самым значительным на подножии склона, где отмечаются самые благоприятные условия по влажности почвы. Минимальное увеличение за счет интенсивности культур наблюдалось на вершине склона. Причиной незначительной прибавки урожая может быть более обедненная почва на вершине (более плотный подпахотный слой).

Интенсификация севооборота, как выяснилось, тождественна или более оправданна на более наклонных и сильно эродированных почвах, нежели на почвах нагорья, характерных для опытных полей. Эти наблюдения оказались прямо противоположны нашим изначальным предположениям.

Примечательно, что увеличение интенсивности севооборота повысило продуктивность на всех почвах при любом уровне суммарного испарения (ЕТ). Модели агроэкосистемы, в которых используются наши четыре основных переменных, уточняются с учетом этих данных (Metherell, 1992). Одновременно проводится экономическая интерпретация полученных результатов.

Рациональное использование влаги

Рациональное использование единицы влаги является диагностическим показателем для оценки системы земледелия по единственной числовой величине, поскольку она объединяет продуктивность и использование влаги. Эта величина может быть рассчитана для общей биомассы, надземной растительной биомассы или массы зерна. Поскольку влажность является ограничивающим фактором в богарном земледелии, диагностика рационального использования влаги – важное и точное средство оценки комбинированного воздействия климата, почвы и севооборота.

Коэффициент эффективного использования влаги в этих экспериментах был рассчитан делением продукции зерна на сумму потребляемой влаги от посева до уборки урожая и количества осадков в течение вегетационного периода.

Рис.6. Взаимодействие климата (зона эвапотранспирации) и севооборота (пшеница-пар, пшеница-кукуруза(сорго)-пар, пшеница-кукуруза(сорго)-просо-пар) с учетом среднегодового показателя урожайности зерновых и эффективности использования влаги (1989-1991)

Эффективность использования влаги зерновыми на базе среднегодовых показателей повышалась с увеличением интенсификации севооборота при любом суммарном испарении (рис. 6). Удивительно, но результат не изменился за счет потенциала эвапотранспирации. Интересной аномалией явилась высокая продуктивность севооборота пшеница-пар при среднем уровне эвапотранспирации. Почвы вершины и средней части склона на всех участках имеют меньшее ограничение для развития корней, чем в тех же позициях при низкой эвапотранспирации. Почвы вершины в условиях низкой эвапотранспирации имеют B-горизонт (20-30 cм) с содержанием глины 38%, который препятствует проникновению корней вглубь, тогда как средняя часть склона имеет глубину корневой зоны приблизительно 1 м.

Почвы вершины и середины склона на участке со средним уровнем эвапотранспирации не имеют ограничения для развития корневой системы, вызванного наличием слоя плотной глины или уплотненного подпахотного слоя в почвенном профиле.

Таким образом, обычно более благоприятный климат на участке с низкой эвапотранспирацией нейтрализуется худшими физическими условиями верхнего слоя почвы. Это демонстрирует другой показатель сетевой системы, который мы используем, чтобы изучать эту проблему.

До настоящего времени эксперимент обеспечивает понимание пользы от применения интенсификации севооборотов на центральных Великих Равнинах. Оказывается, частота летнего пара может существенно уменьшаться, если сохранение влаги культурами будет максимально.

Продолжение этих экспериментов на длительный период важно для оценки экономической стабильности данной системы земледелия. Имитационное моделирование, где используются исторические сведения о погоде и климатические данные, собранные в этом эксперименте, может быть использовано, чтобы предсказывать стабильность системы со временем и потенциальные эффекты от будущих изменений климата.

Накопление пожнивных остатков

Эффективность богарного земледелия зависит от наличия покрытия из пожнивных остатков в период отсутствия культуры на поле. Оно защищает почву от разрушающего действия дождей. Таким образом поддерживаются максимально возможные показатели инфильтрации воды и уменьшается испарение накопленной влаги. Мульча обеспечивает и замедление изначального высушивания почвы (первая стадия ЕТ), при этом даже незначительное количество осадков эффективно используется, сохраняя влажность почвы.

Уровень накопление пожнивных остатков является отличной диагностикой для этих систем, поскольку в цикле обратной связи он влияет на эффективность накопления и сохранения влаги. Общее количество пожнивных остатков прямо пропорционально степени поглощения осадков и эффективности сохранения влаги почвой. Положительные результаты повышения интенсивности выращивания культур, проявившиеся в увеличении общей продуктивности и эффективном использовании влаги, несомненно, были связаны с воздействием сохраненных растительных остатков. Наш метод позволяет измерять эффекты взаимодействия климата и севооборота на накопление остатков (рис. 7) и потенциальную обратную связь с накоплением влаги.

Рис. 7. Наличие пожнивных остатков в посевах пшеницы за 1990 год на вершине склона с учетом севооборота и климатического режима (зона эвапотранспирации)

Увеличение интенсивности севооборота от 2-польного WC к 4-польному WC(S)MF удвоило уровень пожнивных остатков на поверхности в условиях низкой ЕТ, а в условиях высокой ЕТ увеличение составило почти две трети. Мы предполагаем, что более высокие температуры и более длинный вегетационный сезон в условиях более высокой ЕТ обуславливают более интенсивное разложение, что уменьшает общее накопление по сравнению с условиями низкой ЕТ. Количество пожнивных остатков явно зависит от общей продуктивности участка; самая высокая продуктивность и накопление пожнивных остатков происходит при самой низкой ЕТ.

Наибольшая важность наших наблюдений в отношении растительных остатков состоит в том, что расширенные севообороты, очевидно, в состоянии накопить и сохранить больший покров из остатков для контроля эрозии в период отсутствия культур на поле, чем севооборот WC даже c применением технологии No-till.

Органический почвенный материал

Потери почвой органического вещества происходят из-за эрозии и повышения минерализации и зависят от интенсивности её механической обработки. Мы предположили, что минимализация механической обработки и повышение количества пожнивных остатков при увеличении интенсивности севооборота должны в конечном счете повышать уровень органического материала на поверхности почвы во всех климатических зонах.

Wood и др. (1990, 1991) сообщали, что при технологии No-till повышение содержания органики C и N в почве начинает проявляться уже на 4-й год с начала севооборота. Четырехпольный оборот значительно повысил содержание органического материала C на поверхности почвы. Таким образом, может пройти несколько лет прежде чем эффект трехпольного севооборота станет очевидным.

Итоги и выводы

Использование стационарного долговременного опыта, включающего изучение таких факторов, как климат, почва, севооборот и время, позволило нам обеспечить основу для прогнозирования результатов применения разработанных рекомендаций в регионе на больших площадях. Экономические анализы в настоящее время полностью не завершены. Работа сфокусирована на сохранении влаги и ее эффективном использовании, но принцип нашего подхода применим и в решении других проблем земледелия. Градиенты могут полностью зависеть от почвы, как например, показатель pH или потребность в известковании, физические характеристики почвы различных типов или комбинаций климатических условий и почв. Развитие схемы может продолжаться, и новые модели могут быть использованы, чтобы выявить влияние неизвестных факторов, исследование которых требуется начать даже на уровне процесса.

Каждый научно-исследовательский участок был местом проведения нескольких Дней поля, где присутствующие имели возможность визуально оценить результаты и задать интересующие их вопросы.

Разработчики имитационных моделей работают над созданием механистических схем, которые могут быть проверены и согласованы с серией экспериментов в полевых условиях. Мы согласны с выводами Weiss и Robb (1988), что современный синтез научных знаний должен осуществляться таким образом, чтобы расширить применение результатов научно-исследовательских работ в реальном мире.

(Опубликовано в №09, 2008 г.)