Агроэкологические особенности почвозащитных систем земледелия в агроландшафтах лесостепи Среднего Поволжья

Актуальность темы

Сельское хозяйство лесостепных районов Средне-к го Поволжья в конце восьмидесятых — начале девяностых годов XX века развивалось на принципах широкого использования химико-техногенных средств интенсификации (минеральные удобрения, химические средства защиты растений, большие объемы мелиоративных работ и др.). Однако возросшие уровни интенсификации сельскохозяйственного производства и антропогенные нагрузки на почву привели к целому ряду негативных моментов: усилились процессы эрозии, возросли темпы дегумификации с устойчиво некомпенсируемой минерализацией гумуса, снизилась продуктивность сельскохозяйственного производства.

Особо большой ущерб приносит в лесостепи Среднего Поволжья водная эрозия. В этой зоне на склонах размещается более 60% пашни. С таких полей ежегодно стекает огромное количество воды, сносится почвенный покров, заи-^ ливаются поймы малых рек, пруды и водохранилища, активизируются процессы оврагообразования.

Некомплексное использование элементов почвозащитного земледелия снижает экономическую эффективность средств, вкладываемых в интенсификацию растениеводства (химизацию, мелиорацию и механизацию сельскохозяйственного производства).

В этой связи особую актуальность приобретает разработка и освоение почвозащитных систем земледелия в отдельных зонах, ориентированных на природоохранный характер всех её элементов. * Агроландшафтное почвозащитное земледелие должно обеспечивать получение высоких и устойчивых урожаев при одновременном повышении почвенного плодородия, защиту почв от водной и ветровой эрозии, охрану окружающей среды.

Почвозащитную направленность должны определять и системы земледелия на плакорно-равнинных типах агроландшафтов. Особое значение здесь приобретают вопросы предотвращения нарастающей деградации почв (ухудшения физических свойств, переуплотнения, слитизации и др.) и усиленной потери гумуса.

Первоочередной задачей является биологизация и экологизация интенси-фикационных процессов в земледелии с целью повышения продукционных, средоулучшающих и ресурсовозобновляющих функций агроэкосистем и агро-ландшафтов (А.А.Жученко, 2000).

Агроэкологическая обстановка настоятельно требует внедрения ландшафтной системы земледелия в разных природных зонах и отдельных хозяйствах. Суть ландшафтного подхода заключается в одновременном комплексном, упорядоченном и эффективном использовании природных и антропогенно преобразованных территорий. Прежде всего организация ландшафта как система должна предусматривать оптимальное соотношение между пашней, лугово-пастбищными, лесными и другими природными и антропогенными компонентами. Это одно из важных условий успешного функционирования не только аг-роценоза, но и компонентов природных биоценозов, оно позволяет оптимизировать взаимоотношения между угодьями, регулировать процессы круговорота биогенных элементов, рационально использовать природные и антропогенные ресурсы для получения максимально высокого урожая экологически безопасной продукции.

Рациональное обустройство территории агроландшафта должно базироваться на правильном землеустройстве, учитывающем биологические законы взаимосвязи между компонентами среды. Резко изменившаяся социально-экологическая обстановка и обострившиеся экологические противоречия, обусловили необходимость адаптации земледелия не только к природным условиям, но и к новым производственным отношениям. Для решения этой задачи необходима разработка систем земледелия, адаптивных применительно к различным категориям агроландшафтов и уровням интенсификации производства.

Цель работы и задачи исследований. Цель исследований — изучить агро-экологические особенности основных элементов почвозащитного земледелия и разработать модели адаптивных почвозащитных систем для плакорно-равнинных и склоновых агроландшафтов лесостепи Среднего Поволжья с учетом уровня интенсификации и техногенного загрязнения сельскохозяйственных угодий.

В задачу исследований входило:

— разработать почвозащитные, агроэкологически эффективные системы обработки почвы на склоновых землях и в равнинной части рельефа, направленных на накопление и лучшее использование почвенной влаги, уменьшение засоренности посевов, повышение почвенного плодородия и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур;

— изучить эффективность плодосменных севооборотов с учетом почвенно-климатических условий, их специализации с целью повышения продуктивности земледелия и улучшения плодородия почв;

— установить эффективность детоксикационных свойств известковых материалов и цеолитов на землях, подверженных техногенному загрязнению в зоне влияния источников загрязнения;

— изучить почвозащитное и водорегулирующее значение лесных полос и гидросооружений для основных типов агроландшафтов в противоэрозионном комплексе ОПХ «Новоникулинское»;

— определить экономическую и биоэнергетическую эффективность почвозащитных систем обработки почвы, выявить структуру затрат на возделывание сельскохозяйственных культур;

— дать агроэкологическую оценку созданным объектам противоэрозионно-го комплекса и разработать модели адаптивно-ландшафтных систем земледелия для равнинных и склоновых типов агроландшафтов.

Поставленные на изучение вопросы, являются составной частью тематического плана Ульяновского научно-исследовательского института сельского хозяйства по государственному заданию: «Агроэкологическая эффективность почвозащитной системы обработки почвы под зерновые культуры, обеспечивающей получение высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур при минимальных затратах труда и средств» (номер государственной регистрации 1 860 042 904), и в соответствии с заданием «Разработать научные основы почво-водоохранных ресурсосберегающих систем обработки черноземов в севооборотах Среднего Поволжья» (номер государственной регистрации * 1 960 006 646).

Научная новизна. Впервые для лесостепи Среднего Поволжья дано научное обоснование основных элементов почвозащитных систем земледелия в аг-роландшафтах. На базе противоэрозионного комплекса ОПХ «Новоникулинское», созданного в течение 1969;1975 гг., разработаны принципы формирования агроландшафтов и созданы качественно новые ландшафтные системы земледелия для черноземной лесостепи Среднего Поволжья.

Выявлена эффективность комбинированной, минимальной и гребнекулис-ной систем обработки почвы в регулировании основных параметров плодородия чернозема выщелоченного по сравнению с постоянной вспашкой. Установлена возможность минимализации основной и предпосевной обработки почвы в звене севооборота с занятым паром. ^ Определена почвозащитная роль разных севооборотов. Дана экономическая оценка сохранению и повышению плодородия почв и разработаны технологические приемы, снижающие экологическую напряженность агроценозов.

В результате системного анализа почвенно-климатических условий и эффективности элементов противоэрозионного комплекса впервые для черноземных почв лесостепи Среднего Поволжья определены условия позитивной динамики количественных показателей характеристики (водно-физические свойства, химический состав, содержание гумуса в пахотном слое и др.) в различных типах агроландшафтов. V Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований обобщен многолетний экспериментальный материал, который позволяет предложить научно обоснованные модели систем земледелия применительно к конкретному типу агроландшафта. В основу их положен принцип адаптивно-ландшафтного природопользования с экологически сбалансированными агроэкосистемами, где взаимодействуют и рационально используются не только пахотные земли, но и леса, луга, пастбища, защитные насаждения и мелиоративные сооружения. Это позволяет сохранить и повысить плодородие черноземных почв Среднего Поволжья, улучшить экологическую обстановку. * Предложенные производству модели сохранения и воспроизводства плодородия почв, обеспечат получение экологически безопасной продукции, при высокой продуктивности и экономической эффективности сельскохозяйственного производства.

Выполняемая работа по внедрению комплекса противоэрозионных мероприятий и результаты исследований по этому вопросу одобрены Научно-техническим советом Министерства сельского хозяйства Российской Федерации и рекомендованы для внедрения в сельскохозяйственное производство областей, краев и автономных республик со сходными природно-климатическими условиями.

Работа по созданию противоэрозионного комплекса в ОПХ «Новоникулинское» и завершенные на его базе исследования отмечены 2 золотыми и 3 се-^ ребряными медалями ВДНХ.

Выездное заседание координационных Советов по агроландшафтам и проблемам эрозии и дефляции почв Отделения земледелия Российской академии сельскохозяйственных наук по вопросу «Противоэрозионный комплекс в ландшафтных системах земледелия» рекомендовало использовать опыт работы Ульяновского НИИСХ по освоению зональных противоэрозионных комплексов на основе ландшафтных систем земледелия для широкого внедрения в сельскохозяйственное производство.

Реализация результатов исследований. Проведенные исследования про-р шли производственную проверку в ОПХ «Тимирязевское» и «Новоникулинское» Ульяновского НИИСХ и внедрены в 7 хозяйствах области на площади 55 тыс.га. В результате освоения адаптивно-ландшафтных систем земледелия в среднем за 1992;2003 гг. урожайность зерновых культур в этих хозяйствах составила 24,4 ц/га, в то время как в среднем по области 17,2 ц/га.

Результаты исследований использованы при разработке:

— системы ведения агропромышленного производства Ульяновской области на 13 пятилетку. Ульяновск, 1990;

— рекомендаций по системе обработки почвы в колхозах и совхозах области. Ульяновск, 1990;

— рекомендаций по севооборотам. Ульяновск, 2000;

— рекомендаций специалистам, механизаторам и фермерам по возделыванию основных сельскохозяйственных культур в 1993;2004 гг. Ульяновск;

— основных направлений стабилизации земледелия области в условиях ограниченного ресурсного сбережения. Ульяновск, 1999.

Апробация работы. Основные научные положения исследований доложены на Всероссийских научно-практических конференциях (Казань, 1996; Ульяновск, 2000; Белгород, 2001, Владимир, 2004) — на научных и производственных конференциях, областных семинарах и совещаниях (Ульяновск, 1993, 1994, 1996, 1999 гг.- на зональных совещаниях по проблеме повышения плодородия почв и увеличения производства зерна (Саратов 1992, 1994, 1996, 1997, 1999 гг.) — на координационных совещаниях по проблеме плодородия и эрозии (Ленинград, 1994; Курск. 1997; Рязань, 2000 гг.) — на научных конференциях профессорско-преподавательского состава научных работников и аспирантов Ульяновской СХА (1991, 1993, 1995, 1997 гг.) — в Самарской СХА (1995 г.) — на курсах повышения квалификации специалистов сельского хозяйства (Ульяновск, 1992;2002 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 40 научных работах, в том числе 19 — в центральной печати и материалах международных и Всероссийских конференциях, 5 монографий (объемом 42,0 печатных листа).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Наиболее эффективными севооборотами на плакорно-равнинных агро-ландшафтах лесостепи Среднего Поволжья являются: зернопаровые и зернопа-ропропашные с различным удельным весом чистого пара и плодосменные, повышающие продуктивность, почвенное плодородие, и снижающие экологическую напряженность.

2. Применение на склоновых землях в качестве основной обработки почвы комбинированной, минимальной и гребнекулисной, как основных элементов почвозащитного земледелия, обеспечивает улучшение водно-физических свойств и питательного режима почвы, уменьшение засоренности и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур.

3. Внедрение противоэрозионного комплекса (почвозащитная обработка, противоэрозионные защитные лесные полосы, валы-террасы высотой 0,5 м, во-дозадерживающие земляные валы, буферные полосы из многолетних или однолетних трав шириной 18−20 м) на склоновых агроландшафтах способствует увеличению запасов влаги и питательных веществ, снижению стока, смыва почвы и эрозионных процессов, повышению урожайности возделываемых культур.

4. Для условий лесостепи Среднего Поволжья в целях повышения адаптации земледелия, улучшения плодородия почв и повышения продуктивности угодий разработаны дифференцированные экологически безопасные модели почвозащитной системы земледелия для трех типов агроландшафтов: плакор-но-равнинного, склоново-ложбинного и склоново-овражного.

Автор выражает глубокую признательность за помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрении научных разработок в производство К. И. Карповичу, [В.М.Петрову|, А. И. Захарову, В. А. Потушанскому, С. И. Цыганку, что нашло отражение в диссертации и совместных работах.

317 ВЫВОДЫ.

1. Агроэкологические особенности черноземных почв лесостепи Среднего Поволжья (засушливость климата, наличие склоновых земель, усиление процессов деградации почв) определяют необходимость применения почвозащитных систем земледелия на принципах адаптивно-ландшафтного природопользования с экологически сбалансированными агроэкосистемами, обеспечивающими получение высоких и устойчивых урожаев, защиту почв от эрозии при одновременном повышении почвенного плодородия.

2. На плакорно-равнинном типе агроландшафта лесостепи Среднего Поволжья наиболее продуктивны зернопаровые и зернопаропропашные севообороты с чистыми и занятыми парами. Выход зерна с 1 га пашни в севообороте с чистым паром составил 22,0 ц/га, а при введении дополнительного звена с посевом озимых по гороху — 24,5−25,8 ц/га. В хозяйствах с высокой культурой земледелия высокую эффективность имеют плодосменные севообороты с полем люцерны или донника, гороха и горохо-ячменной смеси на зерно. Сбор зерна повысился на 18−19%, всей продукции в ц кормопротеиновых единиц на 13−20%, сбор протеина увеличился на 24−41%, чистый доход — на 14−24%, а рентабельность возросла на 36−42%.

В лесостепи Среднего Поволжья севообороты, построенные по принципу плодосмена с высоким удельным весом многолетних трав, с занятыми и сидеральными парами, обеспечивают рост продуктивности пашни без снижения почвенного плодородия.

В эрозионно-опасном склоново-ложбинном типе агроландшафта замена в севообороте чистого пара — занятымпропашных культур — зерновыми повышает защищенность территории до 53%- на склоново-овражном типе (уклоны 3−5°) — введение в севооборот двух-трех полей многолетних трав обеспечивает защищенность почвы до 66−76% и формирует положительный баланс гумуса.

3. В агроландшафтных системах земледелия возрастает агроэкологическая роль почвозащитных систем основной обработки почвы в создании оптимальных агрофизических, агрохимических и биологических свойств и фитосанитар-ного состояния посевов. В условиях плакорно-равнинного типа агроландшафта лесостепи Среднего Поволжья выявлено преимущество комбинированных систем с сочетанием отвальных, безотвальных и поверхностных обработок, котол рые обеспечили оптимальное сложение почвы в пределах 1,0−1,11 г/см после посева и 1,1−1,18 г/см — после уборки сельскохозяйственных культур. Повысилась доля агрономически ценных агрегатов на 2,7−7,4%, особенно на посевах яровой пшеницы и ячменя. Рациональное сочетание в севообороте отвальных и безотвальных способов обработки способствовало очищению почвы от семян сорняков на 20,9%. Комбинированная система обработки снизила себестоимость продукции на 10%, а условно-чистый доход увеличился на 6,4% по сравнению с постоянной вспашкой.

Наиболее эффективными системами обработки почвы в занятых парах являются: минимальная обработка комбинированным агрегатом КПШ-5+БИГ-ЗА+ЗККШ-6А на 8−10 см, а также послеуборочное лущение дисковыми боронами БД-10 на 6−8 см с последующей обработкой бороной БИГ-ЗА, которые позволили накопить больше продуктивной влаги на 6,9−8,1 мм, очистить почву от сорняков, повысить урожайность озимой ржи на 1,9−5,9 ц/га по сравнению со вспашкой. В плакорно-равнинном агроландшафте при подготовке почвы под яровую пшеницу после озимой ржи эффективна гребнекулисная вспашка плугом со стернеукладчиком на 25−27 см или КПШ-5+БИГ-ЗА на 8−10 см + безотвальная обработка плугами со стойками СибИМЭ на 25−27 см, а под ячмень после яровой пшеницы комбинированная (лущение ЛДГ-10+вспашка на 25−27 см). Это позволило повысить урожайность яровой пшеницы и ячменя на 2,1 и 1,9 ц/га соответственно.

4. Наиболее эффективными системами основной обработки почвы в скло-ново-ложбинном типе агроландшафта являются гребнекулисная отвальная вспашка плугом со стернеукладчиком на 25−27 см, а также комбинированная, предусматривающая проведение в звене севооборота отвальной, безотвальной и поверхностной обработок. При таких системах обработки себестоимость 1 ц продукции снизилась на 3,8−18,5%, затраты техногенной энергии сократились на 0,7−3,1%), а условно чистый доход увеличился на 4,8−8,0% по отношению к вспашке.

Системы основной обработки почвы, состоящие из послеуборочного лущения комбинированным агрегатом КПШ-5+БИГ-ЗА с последующей безотвальной обработкой плугами со стойками СибИМЭ на 25−27 см или гребнекулисной вспашкой на 25−27 см, за счет меньшего распыления обрабатываемого слоя и улучшения качества обработки почвы увеличили запасы продуктивной влаги в почве на 20−31 мм, повысили биологическую активность почвы на 2,24,0% и обеспечили повышение урожайности зеленой массы вико-овса на 13,720,4 ц/га, озимой ржи на 2,5−2,8 ц/га, ячменя на 4,3−4,4 ц/га по сравнению с ежегодной вспашкой.

5. Применение на склоновых агроландшафтах почвозащитных систем обработки почвы улучшило экологическое состояние поля и способствовало стабилизации почвенного покрова.

Поверхностный сток за последние 27 лет (1969;1996 гг.) находился в пределах от 1,3 до 25,8 мм при коэффициентах стока от 0,075 до 0,516. За эти годы сток с уплотненной пашни (без осенней обработки) составил 40,2 мм, а на зяби — 8,3 мм. Комбинированная и гребнекулисная системы обработки почвы увеличили запасы воды в снеге на 6,0−6,9 мм, снизили сток на 0,6−0,7 мм, смыв — на 220−240 кг/га.

6. Система лесных полос является основным элементом экологического каркаса при конструировании противоэрозионного комплекса по типам агроландшафтов. Защитные лесные насаждения на водосборах оказывают положительное влияние на повышение урожайности на прилегающих полях на расстоянии равном 15−17 кратной высоте лесных полос. В зоне действия лесных полос наблюдалось равномерное распределение снежного покрова, повышение увлажнения почвы на 23,5- 48,0 мм, улучшение биологической активности почвы на 2,3−13,8%, что обеспечило повышение урожайности зерновых культур на 2,3−5,7 ц/га, по сравнению с зоной вне влияния лесных полос.

7. Подтверждена высокая экономическая и энергетическая эффективность лесных полос. Особое значение в системе мер защиты почв имело совместное лесомелиоративное влияние лесных полос в комплексе с простейшими гидротехническими сооружениями (валы-террасы, водозадерживающие валы), которые задерживают смыв почвы с водосборов до 2,58 т/га. Поэтому при разработке адаптивных почвозащитных систем земледелия следует ориентироваться на совместное агролесогидромелиоративное обустройство территории.

В борьбе с водной эрозией и оврагообразованием эффективны водозадерживающие земляные валы. Построенные на пашне у вершин действующих оврагов, они не только приостанавливают дальнейший их рост, но и задерживают весь сток талых вод с прилегающих водосборов и превращают его во внутри-почвенную влагу. При этом в среднем за 25 лет эксплуатации водозадержи-вающего земляного вала ежегодный смыв почвы снизился на 2,9 т/га.

8. Анализ воздействия промышленности и автотранспорта на окружающую среду показал, что в зоне их влияния имеет место накопление тяжелых металлов в изучаемых сельскохозяйственных культурах в концентрациях, выше допустимых: в зерне яровой пшеницы содержание Си, Ni и Сг превышало допустимую норму в 1,4−2,0- 1,2−2,7 и 2,0−3,4 раза соответственно, а в зеленой массе вико-овса в 1,8−2,7- 1,1−1,6 и 4,0−8,8 раза соответственно. В процессе детокси-кации тяжелых металлов в первую очередь должны использоваться наиболее доступные, биологические приемы защиты растений: посадка лесных полос вдоль источников токсикации, использование органических удобрений и мелиорантов — извести и цеолитов, которые способствовали снижению их токсичности до 35−38%, а также регулярный экологический мониторинг земель.

9. Осуществленный крупномасштабный эксперимент по разработке принципиально новой модели ведения земледелия на адаптиано-ландшафтной основе в созданном противоэрозионном комплексе в ОПХ «Новоникулинское», позволил полностью предотвратить на всей территории хозяйства развитие эрозионных процессов и оврагообразованияприостановлены процессы деградации почвкоренным образом изменился гидрологический режим территории.

Успешное функционирование противоэрозионного комплекса с высоким экономическим результатом и быстрая окупаемость затрат свидетельствуют о большой практической значимости предлагаемых мер по совершенствованию системы земледелия. Разработанные модели систем земледелия по типам агроландшафтов, придают им экологическую направленность и повышают уровень адаптации, что обеспечивает улучшение плодородия почв, рост продуктивности угодий и экологическую безопасность агроэкосистем.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

Для повышения уровня адаптации земледелия, улучшения плодородия почв и повышения продуктивности угодий для черноземных почв лесостепи Среднего Поволжья разработаны дифференцированные экологически безопасные модели почвозащитной системы земледелия.

Модель системы земледелия для плакорно-равнинного типа агроландшафта включает полезащитные лесные полосы по границам полей, полевые 6−8 польные севообороты с чистым паром, в которых возделываются отзывчивые на плодородие культуры: сахарная и кормовая свекла, гречиха, кукуруза, картофель, озимая и яровая пшеница. Основная обработка почвы предусматривает чередование отвальных, безотвальных и поверхностных обработок. Для пополнения почвы органическим веществом солому, малоценную в кормовом отношении, следует измельчать и запахивать. Максимальная площадь распаханных земель не должна превышать 75% от общей.

Модель системы земледелия для склоново-ложбинного типа агроландшафта состоит из размещения водорегулирующих лесных полос по границам полей. По опушке полей создаются напашные земляные валы высотой 0,5 м. В 5−6-польных севооборотах с занятым или сидеральным паром возделываются озимая рожь, овес, ячмень, горох, подсолнечник, однолетние и многолетние травы. Применяется дифференцированная почвозащитная система обработки почвы с элементами минимализации. Для предотвращения смыва почвы в летний период ливневыми дождями на парах создаются буферные полосы из многолетних или однолетних трав (ширина 18−20 м), предотвращающие смыв почвы до 2,6 т/га. Площадь распаханных земель в структуре не должна превышать 60%.

В склоново-овражном типе агроландшафта модель системы земледелия представлена стокорегулирующими лесными полосами в сочетании с простейшими гидротехническими сооружениями. У основания водосборов создаются водозадерживающие земляные валы. Зернотравяные севообороты с двумя полями многолетних трав и одним полем озимых, состоящие из 4−5 полей, размещенные на данном типе агроландшафта, способны максимально защитить почву от эрозии в весенне-летний период. Защищенность полей зернотравяных севооборотов достигает 70%. Применяется дифференцированная почвозащитная обработка почвы под все культуры. Площадь распаханных земель не должна превышать 35−45% от общей.