PrintОрганическое вещество почвы является основным показателем качества почвы и уровня плодородия. Такие исследования проводились только на экспериментальных участках с использованием сложных и дорогих методов.
Однако на производственных полях фермеров в Швейцарии, были использованы новые методы оценки уровня органического вещества почвы (ОВП). (Опубликовано в № 07.2010 г.)
Опыт подготовки WOCAT (всемирный обзор почвозащитных подходов и технологий) показал срочную необходимость оценивать и отслеживать влияние различных методов землепользования и методов управления почвой и землей (УПЗ) на качество почвы, плодородие, инфильтрацию влаги и влагоудерживающую способность.
Органическое вещество почвы является основным показателем качества почвы и уровня плодородия. Одновременно оно влияет на другие свойства почвы, например, инфильтрацию и влагоудерживающую способность. В наших исследованиях ОВП определялось методом отражательной спектроскопии VNIR. Этот метод дает возможность эффективно и несложно определить ОВП, если разработана калибровочная модель. Метод отражательной спектроскопии видимой ближней части инфракрасного диапазона VNIR можно использовать для составления прогноза и отслеживания свойств почвы на больших площадях достаточно точно, быстро и экономично. Отражательная спектроскопия VNIR успешно применялась для расчетов содержания органического углерода (С), общего количества азота (N) и катион­ообменной способности (КОС) в глине в различных исследованиях (Shepherd and Walsh, 2002).
В течение этой работы была создана спектральная база данных для разработки модели ОВП и КОС на основании 600 образцов почвы из мониторинговой сети округа Фрайбург. Калибровочная модель представляла собой основу для оценки изменений значений свойств почвы у новых образцов. В регионах Оберааргау и Фринисберг было изучено 11 полей с традиционной обработкой и 11 соседних полей с системой обработки No-till. Было отобрано 496 образцов почвы, которые изучались при помощи VNIR спектрорадиометра. В регионе Оберааргау на полях с No-till (NT) применялся только прямой посев, и абсолютно никакой механической обработки почвы не проводилось. На полях в районе Фринисберга применялось почвозащитное земледелие (ПЗ), использовали прямой посев, а также минимальную обработку почвы в севооборотах с картофелем и свеклой.
Задачей проведенных исследований, прежде всего, было – разработать упрощенную методологию для простой и быстрой оценки свойств почвы, используя отражательную спектроскопию VNIR, а потом уже – сравнить свойства почвы между системами NT/ПЗ и ТО (Hauert, 2007).

Лопатой и спектроскопией

Процедура выбора полей и отбора образцов
Выбрать подходящее поле было очень важной задачей. Выбранные поля NT (в Оберааргау), ПЗ (Фринисберг) и ТО находились друг возле друга, обладали одинаковой геологией, уклоном и позволяли проводить прямое сравнение.
На полях ТО образцы отбирались с глубины 0-10 см, а на полях NT и ПЗ – с глубины 0-5 см и 5-10 см. Была выдвинута гипотеза, что на полях NT и ПЗ органическое вещество накапливается в верхнем слое. Чтобы проверить это, образцы почвы отбирались с двух слоев на полях NT и ПЗ, а на полях ТО только с одного слоя. На каждом поле образцы отбирались в трех точках, в каждой точке по пять образцов с каждого слоя.
Полевые исследования и наблюдения
Полевые исследования проводились только в регионе Оберааргау. Во время полевых работ на соседних полях NT и ТО определялись следующие показатели:
• степень покрова поверхности почвы (процент покрытия поверхности растущей культурой, растительными остатками, непокрытой почвы и др.). Фиксировали также образование корки и трещин;
• активность земляных червей определялась в рамке 60х60 см как процент покрытия поверхности почвы отходами жизнедеятельности земляных червей;
• уплотнение и несущая способность почвы. Несущая способность измерялась по разнице в том, насколько человек проваливался в почву, когда ходил по полю. Уплотнение почвы измерялось путем вталкивания ножа в почву и в комок почвы на лопате;
• эрозия почвы оценивалась на всем поле описательно. Были выделены следующие уровни эрозии: овражная эрозия, промойная эрозия и «нет эрозии»;
• структура почвы измерялась по методу Нивергельт (Nievergelt et al., 2002), когда почвенный материал сравнивался с фотографиями различных форм структуры почвы. Блоки почвы с ненарушенным почвенным слоем (50 см в глубину, 10 см в ширину и 15 см толщины) выкапывались лопатой. Для визуального сравнения блоки почвы с полей ТО и NT сначала выкладывались друг возле друга. Затем эти блоки бросали с высоты приблизительно 1,5 м, чтобы определить прочность и структуру (Nievergelt et. al., 2002; McGarry, 2005);
• цвет почвы оценивался по таблице цветов почвы Мюнсела. Цвет сразу же сравнивался между NT и ТО (Bodenkunde, 1996);
• отражательная спектроскопия VNIR. Всего в регионах Оберааргау и Фринисберг было собрано 495 образцов почвы. Образцы были высушены на воздухе и просеяны через сито (2 мм). Затем их анализировали на спектрорадиометре VNIR, а ОВП определялось при помощи калибровочной модели FRIBO. Дополнительные 40 образцов почвы были проанализированы при использовании стандартных лабораторных методов (FAL, 1995), чтобы построить калибровочную модель (Hauert, 2007).

Какая обработка победила

Результаты, представленные здесь, были получены в 2006 году в Оберааргау. В это время почвы были влажными и, следовательно, легче можно было выявить различия между системами обработки почвы, которые изучались. Летом 2006 года, когда почвы были сухими, различия между NT и ТО были не настолько выраженными.
Несущая способность и уплотнение почвы
На полях с ТО отмечалась плохая несущая способность, так как почва очень сильно проваливалась, тогда как на полях NT почва не проваливалась вообще. Следовательно, поля NT оказались намного устойчивее к проходам тракторных агрегатов. Их движение могло продолжаться даже после сильных осадков. На всех полях ТО было отмечено сильное уплотнение подпахотного слоя (подплужная подошва). Из-за предшествующей обработки, особенно отвальной вспашки, верхний слой почвы на полях с ТО был распыленным и не имел структуры, что и объясняет плохую несущую способность этих почв в период повышенной влажности.
Состояние верхнего слоя почвы, образование корки и растрескивание
На большинстве полей NT покров из растительных остатков присутствовал постоянно, непокрытой почвы не было вообще (табл. 1). Различные культуры и предшественники на отобранных для наблюдений полях делали прямые сравнения довольно затруднительной процедурой. Поэтому изучение состояния верхнего слоя почвы необходимо делать в течение более длительного периода и в различные фазы роста сельскохозяйственных культур. Несмотря на то, что во время наблюдений состояние поверхности почвы на ТО было лучше, чем на NT, на первых отмечалось сильное образование корки и трещин, характерное для всех полей ТО. Это происходило из-за того, что вскоре после механической обработки и подготовки семенного ложа были периоды, когда почва оставалась непокрытой.
PrintПочвенная корка и трещины практически не отмечались на полях NT. Они фиксировались только на некоторых участках, где покрова из растительных остатков действительно было мало. На полях NT минимальный покров почвы практически никогда не снижался ниже определенного уровня. На экспериментальных полях в Оберааргау этот уровень составлял 40­-45%. Тогда как на полях ТО было время после механической обработки и посева, когда на земле практически покрова не было. Именно в этот период образовывались корка и трещины. Таким образом, необходимо обязательно фиксировать временной интервал в течение вегетационного периода, когда покров почвы минимальный (рис. 1).

Print

Рис. 1. No-till (слева) с покровом почвы 50-60%, традиционная обработка (справа) с менее 15%  покрова почвы. Нет растительных остатков на полях ТО, но сильное образование корки и трещин.

Эрозия
Различные системы обработки почвы очень сильно влияли на проявление эрозии почвы (рис. 2). Эрозия на полях с ТО была достаточно сильной. На почве был плохой покров, трещины и признаки образования корки и ее растрескивание. По словам фермера, подобная ситуация была и в предыдущие годы. На поле с NT почва последний раз обрабатывалась 8 лет назад. С момента перехода на технологию No-till фермер ни разу не наблюдал эрозии, что говорит о хорошем покрове растущими культурами и наличии растительных остатков. Сравнение между этими двумя полями явно показывает, что No-till может предотвратить эрозию почвы на полях со средним уклоном до 8%.

PrintРис. 2. На фото 1 видны два поля; на поле, которое слева вдалеке, применялась ТО, а на правом поле применяли NT. На фото 2 – поле ТО, где видна сильная эрозия.

Например, на поле №10 образовалась канава посредине небольшого углубления (около 15 см в глубину и 10 см в ширину). На соседнем поле №9, где такой же уклон и которое находится выше поля с ТО, признаков эрозии обнаружено не было. На других полях в Оберааргау во время полевых работ 2007 года эрозии выявлено не было, но в этот период они уже были защищены растущей культурой плюс уклон на этих полях был не очень большим.
Структура почвы
Для оценки структуры почвы, с использованием традиционных полевых методов, требуется большой опыт и экспертные знания. Значительные различия были установлены только между полем ob3 (NT) и полем ob4 (ТО). В почвенных образцах с поля ob3 было обнаружено хорошее распределение крупных и мелких агрегатов и никаких комьев, тогда как почвенные образцы с поля ob4 состояли в основном из одного плотного комка, а почвенные агрономически ценные агрегаты не были обнаружены. Значительные различия в структуре почвы были обнаружены только на этих двух полях. Оценку структуры почвы необходимо проводить в различное время в течение сезона и в условиях достаточного количества влаги (Hauert, 2007).
Активность земляных червей
В таблице 1 приведены результаты учета примерного количества земляных червей (оцененного в процентах покрытия поверхности почвы продуктами их жизнедеятельности). Очевидно, что на полях NT активность земляных червей была значительно выше. Наиболее явные различия были обнаружены между полями ob3 и ob4, а также между ob17 и ob18. Несмотря на то, что этот метод достаточно прост и субъективен, благодаря ему были получены полезные результаты, позволяющие сравнивать два соседних поля и обеспечивающие общее представление о биомассе червей (рис. 3).

PrintРис. 3. На поле NT (слева) больше выделений земляных червей, чем на поле ТО (справа). После измерения уровня инфильтрации кольца прибора были раскопаны.
На нижнем уровне кольца (слева) на поле No-till было обнаружено несколько ходов земляных червей, тогда как на перепаханном поле ходы червей обнаружены не были (справа).

Цвет почвы
Определение цвета почвы позволяет установить количество ОВП при условии, что друг с другом сравниваются аналогичные типы почвы. Почвенный материал с полей ob1 и ob3 был явно темнее, чем с соответствующих перепаханных полей. Соответ­ственно больше ОВП было установлено на полях NT по сравнению с соседними полями ТО, что было подтверждено расчетными показателями ОВП, сделанными по результатам отражательной спектроскопии VNIR. На основании цвета почвы явно были установлены различия в содержании ОВП на уровне 1%.
Расчетное содержание ОВП по результатам отражательной спектроскопии VNIR
Образцы почвы из двух слоев с полей NT и ПЗ сравнивались с соответствующими образцами, взятыми на поле с ТО (рис. 4). На полях NT в Оберааргау была обнаружена значительная дифференциация (20-30%) ОВП между верхним (0-5 см) и нижним (5-10 см) слоями почвы. Это соответствовало увеличению ОВП на 0,2-1,2%. Эта разница обусловлена постоянным применением No-till. Максимальные различия в содержании ОВП (более 1%) были обнаружены между полем NT ob1 и полем ТО ob2. На полях NT ob3 и ob17 также были обнаружены высокие уровни ОВП. Поле ТО ob16 раньше несколько лет было занято травами, поэтому на поле отмечался такой же уровень органического вещества, что и в соответствующем поле No-till ob15. В целом, за некоторыми исключениями, на всех полях NT в Оберааргау уровень ОВП был выше, чем на соответствующих полях ТО.

PrintРис. 4. Сравнение уровня органического вещества (ОВП) в системах No-till (NT), почво­защитном земледелии (ПЗ) и традиционной обработки (ТО).  На полях NT в Оберааргау было установлено повышенное содержания ОВП по сравнению с полями ТО. Различия между системами обработки почвы в Фринисберге были незначитель­ными из-за неполного соблюдения технологии NT.

В Оберааргау на тех полях, где дольше всего применялась технология No-till, было больше ОВП. Спустя более шести лет применения технологии No-till различия в содержании ОВП между системами обработки можно было легко оценить.
Однако на поле fr5 в Фринисберге, которое дольше всего находилось под ПЗ среди всех исследуемых полей, не было обнаружено признаков увеличения уровня ОВП. Объясняется это чередованием культур на данном поле, где картофель или свеклу высевали каждые 2-3 года. Почвы полей ПЗ в Фринисберге все равно считались обрабатываемыми, т.к. на них проводилось периодическое чизелевание. Ко времени выбора полей для исследования в Фринисберге не было известно, что на тех полях все еще применялась минимальная обработка почвы. Только поговорив с фермерами о чередовании культур и методах обработки почвы, которые они применяют, было выявлено, что No-till или прямой посев выполнялся только для посева зерновых культур. Перед посадкой картофеля или после уборки свеклы почву обязательно обрабатывали. По данным Chervet et. al. (2005), севообороты, включающие картофель, нивелируют эффект No-till или прямого посева. На полях fr1 и fr15 в Фринисберге больше не выращивают картофель в севообороте. Это были единственные поля, на которых уровень ОВП был выше, чем на соответствующих полях ТО.
Сравнения между изученными регионами Оберааргау и Фринисберг показали, что увеличение содержания ОВП происходило только тогда, когда механическая обработка почвы отсутствовала. Значительного увеличения органического вещества почвы на полях, где применялось почвозащитное земледелие, по сравнению с полями под традиционной обработкой в регионе Фринисберга выявлено не было из-за наличия в севообороте культур, под которые постоянно обрабатывали почву каждые 2-3 года.
Приведенные результаты показывают возможности отражательной спектроскопии VNIR для оценки свойств почвы, а именно содержания ОВП. Этот метод позволяет определить даже различия в содержании ОВП на поле NT между верхним и нижним слоями почвы (Hauert, 2007). Общий вывод – свойства почвы улучшались на полях NT в основном в регионе Оберааргау.

Что хорошо для почвы, то хорошо для фермера

Из-за небольшого количества полей, которые мы исследовали, возможно, было бы неправильным делать общий вывод касательно различий между NT, ПЗ и ТО, особенно, когда всего только шесть соседних полей исследовалось в Оберааргау. Однако наши результаты продемонстрировали тенденцию к улучшению качества почвы на полях NT по сравнению с полями ТО в Оберааргау, несмотря на то, что степень этих различий была разной. На полях NT отмечается значительно большая активность земляных червей и низкий уровень образования корки и растрескивания. Полученные результаты позволяют сделать вывод: если применять No-till в строгом соответствии с правилами, без какого-либо нарушения почвенного слоя, то в таком случае улучшение качества почвы можно ожидать через 6-7 лет.
Наша работа также показала, что очень важен выбор подходящего времени для проведения полевых исследований. Для оценки свойств почвы, например, почвенного покрова или структуры, необходимо проводить наблюдения в течение более длительного периода времени, чтобы учесть быстрые изменения в покрове почвы на протяжении вегетационного периода, особенно на полях ТО.
Проведенные исследования показали возможность проведения достоверной оценки свойств почвы при различных системах обработки на больших производственных полях, например, по ОВП, активности земляных червей, образованию корки и растрескиванию при использовании простых недорогих методов.
Отражательная спектроскопия VNIR – удобный и перспективный инструмент прогнозирования различных свойств почвы при различных почвенных условиях. Создание базы спектральных данных на основе существующих образцов почвы является отличной начальной точкой для широкого применения этой технологии. Этот подход значительно снизит затраты на химический анализ в лабораториях. Используя отражательную спектроскопию, можно определить даже незначительные колебания в содержании ОВП между разными слоями почвы.
Использование отражательной спектроскопии VNIR для расчета уровня ОВП является очень перспективным, несложным и доступным методом оценки и мониторинга уровня ОВП на полях фермера. Этот метод способен выявить изменения с течением времени и, следовательно, позволяет отслеживать и сравнивать поля, на которых применяются различные технологии. Определение уровня ОВП приобретает все большую важность не только из-за того, что ОВП – основной параметр плодородия и качества почвы, но и в контексте секвестрации углерода для уменьшения глобального потепления.
Отслеживание уровня ОВП в течение длительного периода сейчас проводится редко из-за высокой стоимости анализа почвы. Поэтому применение отражательной спектроскопии VNIR представляет особенный интерес с учетом глобальной дискуссии об изменениях климата и увеличении уровня СО2 в атмосфере. В этом контексте эффективная и простая методика расчета уровня углерода на больших площадях при различных технологиях выращивания сельскохозяйственных культур приобретает особую важность (McCarty et. al., 2002; Hauert, 2007).
Работа, представленная здесь, показала, что, применяя простые полевые методы и отражательную спектроскопию VNIR, можно легко оценить влияние различных систем обработки почвы, например, No-till и традиционной обработки. Тем не менее, следует провести дополнительное исследование, чтобы оценить влияние различных систем земледелия, например, No-till на режим влажности почвы. Это поможет заполнить пробел в знаниях касательно правильного мониторинга и оценки влияния различных систем земледелия в различных условиях на местные и глобальные экосистемы.

С. Хауэрт и Х. П. Линигер