Длинный цикл ротации для подсолнечника – залог здоровья почвы

Подсолнечник (Helianthus annuus) выращивают повсеместно в степных регионах Украины и России, поскольку экономически это весьма выгодно. Подсолнечник также выращивают в степной зоне США. Однако в США выращивание подсолнечника отрицательно сказывается на уровне плодородия степных почв. За 9 лет выращивания подсолнечника в севообороте с чередованием культур озимая пшеница – подсолнечник – пар общий объем органического углерода в почве снизился на 17%, а стабильность почвенных агрегатов – на 36% в сравнении с севооборотом озимая пшеница – кукуруза – пар.

Итак, со временем урожайность озимой пшеницы в севообороте озимая пшеница – подсолнечник – пар снижается. Более того, если подсолнечник высевать раз в два-три года, то его урожайность и количество пожнивных остатков уменьшаются из-за роста болезней и численности насекомых-вредителей. Из-за негативного влияния подсолнечника на почву производство этой культуры в США переместилось в регионы с более высокой нормой выпадения осадков (свыше 500 мм в год), чтобы на следующий год после выращивания подсолнечника можно было бы эффективно выращивать другие культуры.

Также производители выращивают подсолнечник по технологии No-till в севооборотах с более длинной ротацией (пяти- или шестилетние севообороты), в которых подсолнечник возвращается на прежнее поле через 5-6 лет. Такие севообороты включают в себя зерновые культуры, дающие большое количество пожнивных остатков (например, озимую пшеницу и кукурузу). В результате таких изменений производители США выращивают подсолнечник, не нанося ущерба здоровью и плодородию почвы.

Выращивание подсолнечника в степных регионах мира

Подсолнечник адаптирован к засушливым степям Южной Азии, Европы и США, потому что его корневая система может поглощать влагу из глубоких слоев почвы. Кроме того, подсолнечник поглощает из почвы больше воды, чем зерновые культуры, например, озимая пшеница или кукуруза. У подсолнечника есть и другие агрономические преимущества, так, он помогает в борьбе с вредителями. Поскольку подсолнечник – широколистное растение, он действует как защитный барьер для выращиваемых рядом зерновых колосовых культур. Кроме того, его жизненный цикл отличается от цикла развития хлебных злаков, что способствует сдерживанию роста сорняков. В степях Южной Азии производители уделяют особое внимание выращиванию подсолнечника в силу экономической выгодности этой культуры.

В засушливых регионах американских степей производители выращивают подсолнечник с конца 1990-х гг. Уже после нескольких лет его выращивания они столкнулись с пагубными последствиями, в частности с негативным воздействием на плодородие почвы. Поэтому в США была проведена серия долгосрочных исследований, призванных разобраться, почему в сево­оборотах с участием подсолнечника снижается урожайность зерновых. Данная статья содержит результаты этих исследований и позволит ученым и растениеводам, работающим в русских степях, интегрировать подсолнечник в сево­обороты зерновых, избежав при этом его пагубного влияния на плодородие почвы, наблюдаемого в США.

Долгосрочные исследования севооборотов в американской степи

Исследование было начато в Акроне, штат Колорадо (далее будем называть его Колорадское исследование севооборотов), в 1990 г. В ходе исследования сравнивались 16 севооборотов, в схемы чередования были включены озимые и яровые зерновые культуры. Три варианта севооборотов включали в себя подсол­нечник:

• подсолнечник – просо обыкновенное (Panicum miliaceum);

• озимая пшеница – подсолнечник – пар;

• озимая пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар.

Культуры выращивались по технологии No-till. Кроме ряда агрономических показателей развития каждой культуры с помощью влагомера определяли содержание влаги в почве на глубине до 2 м.

Данное исследование проводилось в полупустынной степи США, где среднегодовая норма осадков составляет 416 мм, а объем испарений за период с 1 апреля до 1 ноября варьирует от 1500 до 1650 мм. Такие климатические условия примерно соответствуют климату Южной Украины. После нескольких лет исследований мы получили данные (урожайность культур, объем использованной воды и влажность почвы при различных севооборотах), которые позволили объяснить негативное воздействие подсолнечника на плодородие почвы.

Подсолнечник снижает урожайность последующей культуры

Первое, на что мы обратили внимание в Колорадском исследовании севооборотов, – это то, что урожай зерновых, размещаемых после подсолнечника, часто оказывался ниже ожидаемого. Например, просо давало урожай на 35–50% меньше, чем при размещении его после кукурузы или озимой пшеницы (Anderson et al., 1999). Более того, подсолнечник в севообороте приводил к снижению урожая озимой пшеницы на 20–35% даже в том случае, когда оставался пар, например в севообороте озимая пшеница – подсолнечник – пар.

После подсолнечника в почве остается меньше влаги, чем после других культур

Вначале мы считали, что урожайность культур, которые размещаются в севообороте после подсолнечника, снижается из-за уменьшения влажности почвы. Подсолнечник после уборки урожая оставляет на поверхности почвы мало растительных остатков, что обуславливает меньшее накопление влаги в почве, ведь эффективность влагонакопления при No-till напрямую зависит от количества оставшихся на поверхности почвы пожнивных остатков (Peterson et al., 1996).

Мы исследовали уровень влажности почвы перед посевом проса или озимой пшеницы после различных предшественников. Как и ожидалось, когда просо размещалось после подсолнечника, количество влаги в почве на момент сева проса оказалось на 40 мм меньше, чем когда оно следовало после озимой пшеницы; разница составляла 30% (Nielsen et al., 1999).

Однако в севообороте с озимой пшеницей проявилась довольно любопытная тенденция. Содержание влаги в почве в севообороте озимая пшеница – подсолнечник – пар было более чем в два раза ниже, чем в севообороте озимая пшеница – пар или озимая пшеница – кукуруза – пар (рис. 1). Нас сбила с толку такая большая разница в запасах влаги между сево­оборотами пшеница – подсолнечник – пар и пшеница – кукуруза – пар, поскольку мы считали, что за время пара накопление влаги сведет к минимуму разницу между севооборотами. В севообороте озимая пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар содержание влаги было выше, чем в севообороте пшеница – подсолнечник – пар. Этот факт мы приписали тому, что пожнивные остатки зерновых остаются на поверхности почвы и повышают накопление и сохранение осадков в почве во время пара. Однако в севообороте озимая пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар почвенная влага все же была на 25–30% ниже, чем в севообороте пшеница – кукуруза – пар или пшеница – пар.

Производители могут минимизировать разницу между севооборотами в запасах почвенной влаги с помощью стеблестоя подсолнечника (Nielsen, 1998). Если при уборке подсолнечника сохранять самые высокие стебли, предварительно увеличив плотность стеблей на участке за счет более высокой нормы высева, то можно улучшить снегозадержание и накопление влаги в почве. Однако недостаток этого подхода в том, что в годы с малым количеством снега пополнение почвенной влаги может оказаться очень слабым.

 Если в севообороте присутствует подсолнечник, урожай озимой пшеницы со временем снижается

Анализируя урожайность культур в севооборотах озимая пшеница – подсолнечник – пар (Пш-Пс-П) и озимая пшеница – кукуруза – пар (Пш-К-П), мы заметили угрожающую тенденцию: урожаи озимой пшеницы в севообороте с подсолнечником снижаются по сравнению с севооборотом, где его заменяет кукуруза (рис. 2). Так, например, на четвертом году исследований урожай озимой пшеницы в севообороте Пш-Пс-П оказался на 20% ниже, чем в севообороте Пш-К-П. К девятому же году урожай озимой пшеницы в севообороте с подсолнечником был уже на 50% ниже, чем в севообороте с кукурузой. Урожайность озимой пшеницы в севообороте с подсолнечником постепенно снижалась.

Нас интересовало, влияет ли подсолнечник в севообороте на плодородие почвы, поскольку снижение урожая озимой пшеницы могло быть следствием проблем с вредителями или недостатков технологии выращивания. Поэтому на девятом году исследования мы определили содержание органического углерода в поверхностном слое почвы 0-5 см. Коли­чест­во углерода в почве в севообороте Пш-К-П составляло 5,8 мг/га, что на 17% больше чем в севообороте Пш-Пс-П, где этот показатель был равен 4,8 мг/га (см. табл.).

Мы объясняем такое снижение количества углерода низким уровнем пожнивных остатков после подсолнечника. Перед севом озимой пшеницы в севообороте Пш-К-П растительных остатков в поверхностном слое почвы было 4010 кг/га против 460 кг/га растительных остатков в севообороте Пш-Пс-П. Даже когда в севооборот были включены озимая пшеница и кукуруза, дающие большое количество пожнивных остатков (севооборот пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар, Пш-К-Пс-П), объем поверхностной биомассы все равно оставался на 75% ниже, чем в сево­обороте Пш-К-П. Такое уменьшение растительных остатков в поверхностном слое почвы привело к тому, что органического углерода в почве в севообороте с подсолнечником Пш-К-Пс-П оказалось на 7% меньше, чем в севообороте с просом: пшеница – кукуруза – просо – пар (Пш-К-Пр-П).

Еще большую озабоченность вызывал тот факт, что количество покрывающих почву растительных остатков, критически необходимых для минимизации ветровой эрозии, различается в разных севооборотах почти в три раза. Степень покрытия почвы растительными остатками при посеве озимой пшеницы в севообороте Пш-Пс-П составляла только 23%, а в севообороте Пш-К-П достигала 74% (см. табл.). Даже в севообороте Пш-К-Пс-П покрытие почвы растительными остатками было на 25% меньше, чем в севообороте с кукурузой и просом – Пш-К-Пр-П.

Подсолнечник может снизить стабильность почвенных агрегатов

Описанная выше тенденция снижения содержания органического вещества в почве, в севообороте Пш-Пс-П, весьма тревожна. Органическое вещество критически важно для функционирования почвы, потому что влияет на структуру почвы и наличие в ней ресурсов, необходимых для роста культур. Один из ключевых аспектов почвенной структуры – стабильность почвенных агрегатов, от которой зависит пористость почвы и сопротивляемость почвы ветровой эрозии (Peterson et al., 1993).

Поэтому на девятом году Колорадского исследования севооборотов мы определили стабильность почвенных агрегатов. Она составила 11,5% в севообороте Пш-К-П и только 7,4% в севообороте Пш-Пс-П, разница составила 36% за девять лет (рис. 3).

Стабильность почвенных агрегатов была одинаковой в севооборотах Пш-П, Пш-К-П и Пш-К-Пр. Изменение стабильности агрегатов в севообороте Пш-Пс-П мы объясняем более низким уровнем содержания органического углерода в почве (см. табл.). Исследования Eynard et al. (2005) обнаружили, что снижение стабильности почвенных агрегатов связано с потерями органического углерода.

Пористость почвы также связана с количеством органического вещества в почве. Она уменьшается со снижением количества органического вещества(Eynard et al., 2006). Полевые наблюдения в ходе Колорадского исследования севооборотов дали и другие свидетельства снижения пористости почвы в севообороте Пш-Пс-П. В этом севообороте вода после дождя скапливалась на поверхности почвы, чего не наблюдалось в севообороте Пш-К-П. Скопление воды на поверхности почвы в сево­обороте Пш-Пс-П увеличивало потери воды за счет испарения с поверхности почвы, тем самым уменьшая количество влаги, доступное культурам для роста.

Данные собраны на девятый год Колорадского исследования севооборотов перед посевом озимой пшеницы.

Урожай подсолнечника связан с частотой его высева в севообороте

Другая тенденция, замеченная в Колорадском исследовании севооборотов, – это зависимость урожайности подсолнечника от частоты его посева в севообороте. Когда подсолнечник слишком часто повторяется в севообороте, заболеваемость зерновых часто возрастает. В нашем исследовании урожаи озимой пшеницы, кукурузы и подсолнечника были самыми высокими при выращивании каждой культуры не чаще, чем один раз в четыре года (рис. 4). Поразительно то, что на урожай подсолнечника оказывала воздействие частота его высева. Урожаи озимой пшеницы и кукурузы были выше на 15–20% при 4-летнем цикле возврата каждой культуры по сравнению с 2-летним. Урожай подсолнечника в севообороте с кукурузой Пш-К-Пс-П был на 60% выше, чем в севообороте с просом Пр-Пс.

Еще одна причина более низкого урожая подсолнечника при слишком частом его выращивании – заражение фомозом (Phoma macdonaldii). Phoma – естественный почвенный гриб, который поражает корни и нижнюю часть стебля, препятствуя поступлению воды и питательных веществ в верхнюю часть растения. Это замедляет рост растений и в конечном итоге снижает урожайность культуры.

Отдаленное влияние фомоза состоит в том, что он способствует поражению подсолнечника скрытнохоботником (Cylindrocopturus adspersus) – насекомым, которое внедряется в стебель подсолнечника в период роста. Здоровые растения подсолнечника могут переносить поражение скрыт­нохоботником без потерь урожая, но при наличии фомоза сочетание этих двух поражающих факторов значительно увеличивает уязвимость растения и может привести к полной потере урожая из-за полегания растений еще до созревания урожая. Если подсолнечник высевается на том же поле слишком часто, необходимо обрабатывать стебель растения инсектицидом, что увеличивает производственные издержки.

Ранее мы отмечали, что сохранение сухих стеблей подсолнечника после уборки урожая может привести к повышению снегозадержания и увеличению запасов поч­вен­ной влаги. Поражение фомозом и скрытнохоботником сводит на нет преимущества такого подхода, поскольку пораженные стебли после сбора урожая быстро полегают и не способствуют снегозадержанию. Другое последствие поражения насекомыми – еще более заметное уменьшение объема растительных остатков. Это также увеличивает негативное влияние подсолнечника на содержание в почве органического углерода.

Предложения по выращиванию подсолнечника в степной зоне Украины

Проанализировав результаты негативного опыта работы с подсолнечником, производители в степных регионах США изменили систему выращивания. Информация об этих изменениях может дать производителям подсолнечника в степной зоне Украины некоторые идеи о том, как выращивать подсолнечник, минимизируя его негативное влияние на здоровье почвы.

В США производство подсолнечника переместилось в регионы с большим количеством осадков (свыше 500 мм в год).

Во-первых, большое количество осадков гарантирует, что на следующий год после подсолнечника можно будет успешно выращивать зерновые.

Во-вторых, в севообороты в этих регионах включены зерновые, дающие большие объемы пожнивных остатков (например, озимая пшеница и кукуруза). Это в какой-то степени компенсирует малое количество растительных остатков после подсолнечника.

Третья стратегия – увеличение интервала между посевами подсолнечника в севообороте. Производители в районах с большим количеством осадков успешно выращивают подсолнечник при четырехлетнем его возврате, например в севообороте яровая пшеница – озимая пшеница – кукуруза – подсолнечник. Однако озабоченность возможным негативным воздействием подсолнечника на здоровье почвы диктует необходимость использования еще более длинных интервалов между выращиванием этой культуры.

Один из самых успешных севооборотов: озимая пшеница – кукуруза – горох – кукуруза – подсолнечник – яровая пшеница, в этом случае подсолнечник возделывается раз в шесть лет.

Мы рекомендуем производителям в степных регионах Украины рассмотреть стратегии, которыми пользуются производители в США. При неправильном подходе к выращиванию подсолнечник со временем может нанести ущерб здоровью почвы (рис. 2 и 3), снижая ее плодородие. В особенности нас тревожат те севообороты, в которые входят и пар, и подсолнечник, поскольку именно такое сочетание оказалось наиболее вредоносным для степей США. Мы считаем, что в украинских степях без ущерба для здоровья почвы подсолнечник можно выращивать по технологии No-till в севооборотах, которые включают культуры с большим количеством пожнивных остатков, такие как озимая пшеница и кукуруза.

Новый взгляд на системы земледелия в степных регионах США

Производители в степных регионах США изменили свой взгляд на системы земледелия. Сегодня при разработке севооборотов, помимо урожая и экономических показателей, учитывается также и экологический аспект. Производители стараются выбирать такие технологии выращивания культур, которые улучшают свойства почвы. Причина такой перемены – осознание ущерба, причиняемого почвам севооборотом озимая пшеница – пар. Его применение ведет к заметному снижению содержания в почве органических веществ и к ухудшению их качества. С тех пор, как степь была превращена в пахотные земли, утрачено 60% органического вещества, которое почва содержала до начала ее сельскохозяйственного использования.

Сегодня качество почвы в степях США восстанавливается с помощью системы земледелия No-till, основанной на сохранении растительных остатков на поверхности почвы, отказе от механической обработки почвы и применении сево­оборотов, в которых присутствуют разнообразные зерновые культуры. Свойства почвы улучшаются, поскольку количество органического вещества в верхних 5 см почвы после восьми лет непрерывного применения No-till (севооборот с зерновыми культурами) увеличилось на 20% в сравнении с севооборотом озимая пшеница – пар. После 12 лет разница в этом показателе составила 37%. Более высокое содержание органического вещества в почве повышает стабильность почвенных агрегатов и пористость почвы, улучшает впитывание осадков и доступность влаги для зерновых. Таким образом, ключевой фактор для восстановления плодородия и здоровья почвы – увеличение количества растительных остатков на поверхности почвы.

Забота о здоровье почвы побуждает производителей США менять свои технологии выращивания подсолнечника. Поначалу они сомневались, стоит ли снижать частоту выращивания подсолнечника на одном поле и заменять его другими культурами, ведь это чревато экономическими потерями.

Сегодня большинство производителей понимает, что снижение валового дохода компенсируется преимуществами, которые несут с собой система No-till и принцип разнообразия сельскохозяйственных культур в севообороте. Это и рост урожаев вследствие севооборотного эффекта, и более низкие издержки за счет снижения численности насекомых-вредителей.

Чистая прибыль в системе земледелия No-till при использовании севооборотов, включающих в себя альтернативные культуры, в 2-4 раза выше, чем при использовании севооборотов пшеница – пар или пшеница – подсолнечник – пар. Более высокие урожаи – это лишь один источник улучшения экономических показателей, другой источник – снижение расходов на контроль сорняков. Производители при использовании системы No-till и севооборотов с различными культурами тратят на контроль сорняков на 35-40 $/га меньше, чем при традиционной вспашке и применении простых двух- или трехпольных севооборотов.

 

Рэнди Андерсон,
агроном-исследователь,
Сельскохозяйственный исследовательский центр, Брукингс,
Южная Дакота, США

Опубликовано в №10 2012