Решение проблемы деградации почв через внедрение энергосберегающих технологий как важнейшее направление обеспечения продовольственной безопасности страны

Введение

Деградация земель в настоящее время представляет одну из важнейших социально-экономических проблем, которая создает угрозу экологической, экономической и в целом национальной безопасности России и наносит огромный ущерб продуктивному потенциалу земельного фонда страны.

Продовольственная безопасность государства во многом зависит от поддержания высокого уровня плодородия почв, обеспечивающего стабильные урожаи сельскохозяйственных культур и рост внутреннего валового продукта [8, 9] (Kulikova, Velikanova, 2015; Kulikova, 2019).

Однако в процессе сельскохозяйственного использования почв происходят качественные изменения показателей, определяющих их агрономические свойства, и прежде всего, снижение содержания гумуса и элементов питания. Деградационные процессы сельскохозяйственных угодий во всех своих проявлениях представляют серьезную угрозу почвенному плодородию и, как следствие, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и качества получаемого зерна, корне- и клубнеплодов, овощей открытого грунта, кормовых культур и пр.

Ученые подсчитали, что в результате нерационального землепользования человечество за исторический период своего развития уже потеряло от 1,5 млрд до 2 млрд га некогда продуктивных земель, то есть больше, чем вся современная площадь пашни. И в наши дни в результате деградации почвы из мирового сельскохозяйственного оборота ежегодно выбывает в среднем 8–10 млн, а по максимальным оценкам – 15–20 млн га продуктивных земель [4] (Gordeev, Romanenko et al., 2008).

В России, по данным Минсельхоза РФ, деградации подвержено 134 млн га сельхозугодий. В целом по стране средне- и сильноэродированные почвы занимают 26%. Доля их продолжает неуклонно увеличиваться. В течение последних 20 лет темпы их прироста достигли 6-7% каждые 5 лет [4] (Gordeev, Romanenko et al., 2008).

Баланс питательных веществ в сельхозугодиях России отрицательный, он составляет – 5,2%. Это означает, что с урожаем выносится больше питательных веществ, чем затем поступает в почву. Отрицательный баланс за 5 лет составил 22,2 млн тонн действующих веществ [22].

Внесение минеральных удобрений позволяет вводить в круговорот веществ в земледелии новые количества элементов питания для растений, а применение органических удобрений и других отходов растениеводства и животноводства – повторно использовать часть питательных веществ, уже входивших в состав предыдущих урожаев. В результате становится возможным восполнять вынос питательных веществ урожаями и непроизводительных потерь их из почвы [3, 13, 14] (Akhmatova, Batova, Atmurzaev, 2018; Nadezhkina et al., 2005; Nadezhkina et al., 2009).

Однако на протяжении уже нескольких десятков лет наблюдается недостаток внесения в почву органических удобрений, а увеличившаяся стоимость минеральных – вынуждает сельхозпроизводителя вносить дозы, не покрывающие вынос с урожаем элементов питания [5] (Kuzin, Arefev, Kuzina, 2013).

Вернуть плодородие деградированным почвам не так просто. Специалисты говорят о том, что оптимальная система севооборотов может в теории обеспечить бездефицитный баланс гумуса, препятствовать ухудшению фитосанитарного состояния посевов и почвоутомлению на полях. Для этого необходимо оптимальное соотношение однолетних культур и многолетних трав. Однако на практике восстановление гумусового слоя таким способом займет десятки лет.

В России чаще всего для восстановления плодородия почв до сих пор используют проверенные годами севообороты, сидераты, многолетние травы, биологические средства защиты растений, био- и органические удобрения. Но даже эти методы применяются очень ограниченно. Согласно данным всероссийского исследования, проведенного Союзом органического земледелия, Минсельхозом России и целым рядом партнеров, агробиотехнологии сегодня используются лишь на 2% от возможного потенциала [22].

Технологии No-till в энергосберегающем земледелии

Энергосберегающие технологии обработки почвы являются одним из наиболее устойчивых способов снижения ухудшения ее качества. Технология ноу-тилл эффективно противодействует процессам деградации почв.

Кроме того, ученые подсчитали, что No-Till технология позволяет сократить расходы на оплату труда в 1,6 раз, на горюче-смазочные материалы – более чем в 2,2 раза, а на оборудование – почти в 1,5 раза. При этом общая урожайность повышается минимум в три раза, а производственные расходы сокращаются в целом на 20% [23].

По мнению ряда зарубежных авторов, по сравнению с традиционной обработкой почвы технология No-till имеет положительное влияние на основные агрохимические свойства почвы [18–21] (Shapiro, Holshouser, Kranz et al., 2001; Toliver, Larson, Roberts, English, De La Torre Ugarte, West, 2012; Yang, Bao, Yang, Zhao, Liang, Xie, 2019; Wilhelm, Wortmann, 2004). При использовании метода прямого посева отмечают высокий уровень поступления в почву органической массы, азота, фосфора, калия, кальция, магния, а также увеличивается катионообменная емкость и снижается кислотность почвенного раствора; эрозионные процессы значительно замедляются. Такая тенденция обычно наблюдается на сельхозугодиях, выбывших из оборота и подвергшихся процессам задернения [10] (Kulikova, Efremova, 2017).

В настоящее время на систему нулевой обработки почвы приходится лишь 6,8% всех пашен мира. Технология No-Till получила признание и широко распространена в Соединенных Штатах, где используется в основном для борьбы с ветровой эрозией, в Канаде, где применяется для сохранения влаги в степных районах, а также в Бразилии, Аргентине, Парагвае и Австралии. На вышеперечисленные страны приходится примерно 95% всех используемых этим способом площадей. На европейском континенте методом нулевой обработки почвы обрабатывается лишь 3% пахотных земель [6, 15, 22] (Kulikova, 2017; Chekaev, Kochmina, 2018).

На территории России энергосберегающая технология No-till приобретает все большую популярность. Так, в 2016 году о No-Till знало 30% от общего количества фермеров РФ, а использовали эту технологию только 5% от общего числа. В 2020 году эти показатели увеличились в разы, и теперь о ней знают 80% фермеров, а используют 11–12% [24].

Однако эффективность применения технологии ноу-тилл напрямую зависит от природно-климатических особенностей регионов. Более активно переходят на нее хозяйства южных регионов страны, сильно подверженные ветровой эрозии почвы. Но с каждым годом она все шире внедряется и в условиях средней полосы России.

Результаты и их обсуждение

В Пензенской области примером успешного применения ноу-тилла является КФХ «Ореон» Тамалинского района. В хозяйстве на технологию прямого посева перешли с 2009 года. Агрохимическое обследование проводилось работниками ФГБУ ЦАС «Пензенский» на 8 полях каждые 5 лет, при внесении удобрений более 60 кг/га д.в. (действующего вещества) – через каждые 3 года [11] (Sychev et al., 2003).

В хозяйстве применяют следующие удобрения: аммофос, диаммофос, аммиачная селитра – по 100 кг/га; микроудобрение с гумином БорогумМ (Мо-1% + Мn-1% + В-7%) – в виде внекорневой подкормки; Бионекс Кеми (жидкое органическое удобрение на основе компостированного куриного помета) – по 1 л/га под зерновые культуры в фазу кущения [1, 12] (Ivanov еt al., 2008).

Содержание органического вещества в почвах традиционно служит основным критерием ее плодородия, а в последние годы все больше рассматривается с точки зрения почв как компонента биосферы. Главными причинами, вызывающими снижение содержание гумуса в почве, можно назвать процессы его минерализации вследствие интенсивной обработки почвы и применения минеральных удобрений; недостаточное поступление в обрабатываемые почвы корневых и пожнивно-корневых остатков, а также органических удобрений; потерю гумуса в результате процессов эрозии почв [2] (Arefev et al., 2017).

Анализ показал, что наибольшее содержание органического вещества наблюдалось в почвах хозяйства в 1972 году – от 8,1 до 8,7% и характеризовалось как высокое. В дальнейшем содержание органического вещества постепенно снижалось, и к 2018 году уменьшение составило 0,9–2,0%, то есть в среднем ежегодные потери гумуса составили 600–1000 кг/га (табл. 1).

Таблица 1

Динамика изменения содержания гумуса за 1972–2018 гг. (%)

Источник: Агрохимические показатели КФХ«Ореон» Тамалинского района [1].

После внедрения в хозяйстве технологии прямого посева содержание органического вещества к 2013 году изменилось по сравнению с 2001 годом: на отдельных полях за 12 лет использования произошло некоторое увеличение органического вещества на 0,5–0,8%, а на других, наоборот, – уменьшение на 0,1–0,8%. К 2018 году, то есть через 9 лет после внедрения технологии прямого посева, уменьшение содержания органического вещества составило 0,1–0,6%. Средневзвешенный показатель содержания гумуса уменьшился с 6,59% до 6,28% (рис. 1).

Для поддержания бездефицитного баланса органического вещества в зернопропашных севооборотах необходимо полностью использовать все пожнивно-корневые остатки (ПКО). Рекомендуется активно использовать солому зерновых и зернобобовых культур, а также посев сидеральных культур: донника, люпина, рапса, горчицы, редьки масличной и др. Посев многолетних трав способствует накоплению органического вещества, что, в свою очередь, приводит к увеличению подвижных форм элементов питания в почве [6] (Kulikova, 2017).

Рисунок 1. Группировка почв исследуемых полей хозяйства по содержанию органического вещества

Источник: Агрохимические показатели КФХ«Ореон» Тамалинского района [1].

Изменение содержания органического вещества привело и к изменению содержание азота в почве. Уровень азотного питания определяет размеры и интенсивность синтеза белков, которые существенно влияют на ростовые процессы и формирование урожая высокого качества [4] (Gordeev, Romanenko et al., 2008).

По содержанию щелочногидролизуемого азота почвы хозяйства имели в 1972 году (112–189 мг/кг почвы) среднее и низкое содержание (табл. 2).

Таблица 2

Динамика изменения содержания щелочногидролизуемого азота за 1972–2018 гг. (мг/кг почвы)

Источник: Агрохимические показатели КФХ«Ореон» Тамалинского района [1].

К 2018 году содержание азота в исследуемых почвах снизилось и составило 131–156 мг/кг почвы, то есть обеспеченность почвы азотом остается низкой, и только в двух полях обеспеченность средняя. Средневзвешенный показатель по щелочногидролизуемому азоту был наибольшим в 2001 году (204 мг/кг), а наименьшим – в 2013 и 2018 годах, его величина составила 147 и 142 мг/кг почвы соответственно (рис. 2).

Таким образом, внедрение технологии No-till уменьшило содержание щелочногидролизуемого азота по всем исследуемым полям. Уменьшение составило 45–95 мг/кг почвы. Посев бобовых культур (горох, чечевица), заделка растительных остатков и внесение минеральных удобрений в виде аммофоса, диамофоски, КАС в среднем по 50–70 кг/га не компенсируют вынос азота с урожаем. Поэтому запасы его в почве, так же как и содержание органического вещества, постепенно снижаются. Вынос азота из почвы за последние 3 года исследований в среднем по 8 исследуемым полям составил 87,5–129,7 кг/га минерального азота, то есть вынос с урожаем компенсируется примерно только наполовину.

Рисунок 2. Группировка почв исследуемых полей хозяйства по содержанию щелочногидролизуемого азота

Источник: Агрохимические показатели КФХ«Ореон» Тамалинского района [1].

Щелочногидролизуемый азот в почве является ближайшим резервом минерального азота, который легко усваивают растения. Поэтому внесение азотных удобрений будет эффективным и от него во многом будет зависеть величина урожая сельскохозяйственных культур.

Недостаток азотных удобрений, приводящий к потере азота и гумуса, может быть частично компенсирован при помощи микробиологических удобрений, активизирующих азотфиксацию [16, 17] (Koryagin, Kulikova, Efremova, Sukhova, 2020; Koryagin, Kulikova, Koryagina, Kuznetsov, 2020).

Внедрение технологии No-till и внесение минеральных удобрений, в состав которых входит Р₂О₅, увеличили содержание фосфора в почвах к 2018 году в 1,5–2 раза: со 130 мг/кг до 208 мг/кг почвы при среднем содержании фосфора в почве 158 мг/кг (2013 г.). Обеспеченность почв фосфором в исследуемых полях стала характеризоваться как повышенная и высокая вместо среднеобеспеченной. За годы применения технологии прямого посева ежегодно вносилось от 70 до 90 кг/га д.в. Р₂О₅, а выносилось с урожаем – от 49 до 55 кг/га Р₂О₅, то есть внесение превышало вынос, за счет чего и произошло увеличение баланса фосфора в почве. Кроме того, подсолнечник и бобовые культуры, возделываемые в хозяйстве, могут усваивать фосфор из труднодоступных соединений.

Внедрение технологии прямого посева и внесение удобрений позволили также увеличить содержание подвижных форм калия в почве с 143–181 (2013 г.) до 196–343 мг/кг почвы (2018 г.). Обеспеченность почв калием в исследуемых полях стала характеризоваться как очень высокая вместо среднеобеспеченной и повышенной. Такое повышение стало возможным за счет большого количества растительных остатков и соломы, которые остаются в поле. Особенно много калия остается в ПКО после кукурузы и подсолнечника. С удобрениями вносится ежегодно от 30 до 50 кг/га калия в зависимости от культуры. Таким образом, это обеспечило положительный баланс калия в почве.

Средневзвешенное содержание серы (элемента, необходимого для синтеза белка) после внедрения технологии No-till увеличилось по исследуемым полям с 1,3–6,4 (2013 г.) до 2,5–13,5 мг/кг почвы (2018 г.), и они перешли из категории низкообеспеченных в среднеобеспеченные по этому показателю.

Заключение

Почва – это важнейший стратегический ресурс страны, обеспечивающий ее продовольственную безопасность. Технология прямого посева является одним из наиболее эффективных способов сохранения ее плодородия и снижения скорости деградационных процессов. Однако ее применение в условиях средней полосы России требует детального изучения и корректировки.

Исследования показали, что в КФХ «Ореон» после десятилетнего применения технологии прямого посева все еще происходит снижение содержания в почве органического вещества и азота, однако увеличивается содержание подвижных форм калия, фосфора и серы.

Таким образом, технология No-till в условиях Пензенской области является энергосберегающей при достаточной компенсации потерь азота в виде использования минеральных удобрений (в дозах под зерновые не менее N₄₀P₃₀K₃₀), использования в севооборотах многолетних бобовых трав и бобово-злаковых травосмесей с преобладанием бобового компонента; использования соломы на удобрение по соответствующей технологии с добавлением азотных удобрений (10 кг д.в. азота на 1 т соломы).