Вопрос 2. Факторы определяющие систему обработки почвы в севообороте. Теоретические основы проектирования системы обработки почвы.

1. Агрохимические и агробиологические основы проектирования системы обработки.

Приемы обработки почвы существенно сказываются на дифференциации пахотного слоя по содержанию гумуса. Интенсивность минерализации органического вещества зависит от характера и частоты механической обработки почвы. Наиболее активно этот процесс происходит при использовании почвы в системе вспашки. В экстенсивном земледелии вспашка является важным средством, способствующим высвобождению биогенных элементов из органического вещества, которое, в частности служит главным источником азота. С этим связана традиционная забота о повышении биологической активности почвы, устранении дифференциации пахотного слоя, которая происходит в результате “прижимания” микрофлоры к поверхностным слоям почвы. Перемешивание почвы способствует инфицированию всего пахотного слоя и соответственно усилению процессов минерализации органического вещества во всем объеме почвы на фоне повышенной аэрации.

Коэффициент гумификации при чизельной и плоскорезной обработке выше, чем при вспашке. Длительное применение плоскорезной и минимальной обработки, способствует сохранению органических остатков и гумуса, улучшению пищевого режима, по сравнению со вспашкой.

Дальнейшая минимизация обработки почвы еще более ослабляет процессы минерализации органического вещества. Соответственно уменьшается накопление минерального азота. В почвах степной зоны благодаря этому сокращаются потери нитратов в паровых полях вследствие их нисходящей миграции. На более увлажненных почвах, особенно в лесостепной и таежной зонах, при переходе на мульчирующие обработки снижается урожайность сельскохозяйственных культур из-за усиливающегося дефицита азота. Внесение азотных удобрений в этих условиях становится условием эффективного освоения безотвальных и тем более минимальных обработок.

Показатели гумуса в почве могут сильно колебаться по годам в зависимости от погодных условий, количества корневой и надземной массы растений, активности микробиологической деятельности. Это послужило поводом для некоторой части ученых считать вспашку основной причиной потери гумуса. Так при внесении 10т навоза ежегодно, при введении в севооборот чистого пара баланс гумуса все равно остается отрицательным.

Разложение растительных остатков при свободном доступе кислорода воздуха идет до конечных продуктов, и при поверхностном их размещении не происходит закрепления питательных веществ. Основная же часть микроорганизмов, участвующих в минерализации свежего органического вещества и ассимилирующих минеральный азот сосредотачивается в верхнем слое 0 – 10 см.

Установлено, что при достаточной влажности различные способы обработки существенно не отличаются друг от друга по влиянию на активность микроорганизмов, степени разложения органического вещества и процессу нитрификации. Биологическая активность в опытах зависела в большей степени от вида предшественника и степени увлажнения, чем от способа обработки.

Для оптимизации агрохимических и биологических свойств почвы, приемы ее обработки необходимо дифференцировать с учетом норм вносимых органических и минеральных удобрений, мощности пахотного слоя и запасов доступных форм элементов минерального питания, количества и качества поступающих в почву растительных остатков, физико-химических свойств и почвенно-климатических условий региона.

Региональной особенностью почв подтаежной зоны является укороченный гумусовый горизонт с сосредоточенностью наибольших запасов азота в виде устойчивых к гидролизу органических соединений в верхней части пахотного слоя. Гидролизуемые соединения азота, накапливающиеся в почве в течение вегетационного периода в значительных количествах, слабо подвергаются дальнейшей минерализации. В связи с этим содержание минерального азота в почвах крайне низкое. Ограничивающим фактором в минерализации органических веществ почвы является неблагоприятный гидротермический режим, который не обеспечивает достаточно активной деятельности микрофлоры и высокой биологической активности почвы. Поэтому мобилизация азота происходит преимущественно до аммонийных форм. Процесс аммонификации можно считать зональной особенностью почв Нечерноземной зоны, поэтому содержание аммонийного азота в дерново - подзолистых почвах составляет 75 - 80 % от общего содержания минерального азота.

Валовое содержание фосфора в дерново-подзолистых почвах составляет 0,07 - 0,2%. Фосфор представлен в виде разнообразных минеральных и органоминеральных соединений, которые являются труднодоступными для растений. Содержание фосфора (определенное по Кирсанову) изменяется от 40 до 150 мг/кг почвы. Вниз по профилю количество его возрастает и достигает максимального значения в иллювиальном горизонте.

При мульчирующих обработках отмечается повышение содержания подвижных форм элементов, особенно фосфатов, в верхней части пахотного слоя. Такая дифференциация его по агрохимическим показателям, усиливаясь со временем, особенно при поверхностном применении фосфорных удобрений, приводит к недобору урожая по сравнению со вспашкой, ибо при локализации питательных веществ в поверхностном слое снижается их позиционная доступность растениям, особенно в засушливые периоды. Данный факт рассматривается многими авторами как повод для периодического оборота пласта. Однако у этой точки зрения есть альтернативная позиция (особенно в условиях высокой опасности дефляции) – внесение удобрений в среднюю и нижнюю часть пахотного слоя комбинированными безотвальными орудиями.

Дерново-подзолистые почвы характеризуются значительным содержанием общего калия. Его валовое содержание в верхних горизонтах составляет 1,2 - 2,4 %, но при этом почвы слабо обеспечены подвижными формами. Содержание подвижного калия в верхних горизонтах колеблется от 25 до 150 мг/кг почвы.

Сложнее обстоит дело с внесением органических удобрений. По всем правилам они должны запахиваться плугом. Существуют, однако, попытки обоснования более высокой эффективности навоза при использовании его в качестве мульчи. Утверждается при этом, что потери азота при разложении навоза полностью компенсируются за счет усиления фиксации азота из атмосферы. Преимущества навоза-мульчи объясняются уменьшением расхода влаги через испарение, ускорением прогревания почвы весной и предохранением ее от перегревания в жаркую погоду. Почва под навозом имеет большую воздухо- и водопроницаемость, хорошо поглощает ливневые осадки, сильно сокращается поверхностный сток. Данная позиция вызывает много вопросов и требует дифференцированного для различных условий изучения. Она полностью противоречит, например, сложившимся методам окультуривания дерново-подзолистых почв, при которых под влиянием органических удобрений происходит улучшение структурного состояния пахотного слоя на всю его глубину и т.д.

Вспашка нужна для заделки химических мелиорантов за некоторыми исключениями. Нередко возникает необходимость поверхностного внесения извести при подкислении почв в результате применения минимальной обработки, особенно при использовании азотных удобрений. Даже почвы с высокой буферностью, в том числе черноземы, при длительной минимизации обработки с поверхности подкисляются.

2. Фитосанитарное состояние посевов

Сорняки, конкурируя с культурными растениями за основные факторы жизни, поглощают из почвы значительное количество питательных веществ и влаги. Они затеняют посевы сельскохозяйственных культур, задерживая их вегетацию. Кроме того, они являются местом обитания и временным источником питания многих насекомых – вредителей сельскохозяйственных культур, способствуют распространению грибных и бактериальных болезней. Сорная растительность затрудняет выполнение многих сельскохозяйственных работ: повышается тяговое сопротивление почвообрабатывающих орудий на 30%, на засоренных полях на 15 – 30% снижается производительность комбайнов, зерно плохо обмолачивается, имеет повышенную влажность, что требует дополнительных затрат на очистку и сушку.

Семена, корни и корневища сорняков размещаются в почве на различной глубине. Большая часть семян сорняков в послеуборочный период зерновых культур находится в верхней части пахотного слоя почвы обычно на глубине до 5 см, корневища пырея на глубине 8 – 12 см, корневые отпрыски бодяка на глубине 20 см и более. Для построения рациональной системы обработки необходимо учитывать не только численность, но и расположение основной массы семян и вегетативных органов размножения сорных растений.

В связи с тем, что основная масса семян сорняков после уборки культур сплошного сева находится в верхних слоях установлено, что под вторую зерновую культуру целесообразно осенью проводить зяблевую вспашку. После вспашки в поверхностном слое почвы 0-5 см остается лишь незначительная часть семян сорняков, основная их масса перемещается на большую глубину, с которой они не могут прорасти. Однако, на следующий год оставшиеся жизнеспособными семена при вспашке выносятся на поверхность, что приводит к вторичной засоренности посевов. Семена, извлекаемые на поверхность зяблевой вспашкой, как правило, обладают повышенной всхожестью. Поэтому в некоторых случаях зяблевая вспашка не дает положительных результатов.

Отвальная обработка в меньшей степени снижает запасы семян в почве, по сравнению с безотвальными обработками. Замена вспашки фрезерованием снижала потенциальную засоренность на 43%. Систематическая плоскорезная обработка почвы приводит к увеличению засоренности посевов, особенно корнеотпрысковыми сорняками, а так же ромашкой, вьюнком полевым. Применение минимальной обработки приводит к изменению видового состава сорной растительности в сторону резкого увеличения численности многолетних сорняков – бодяка полевого, осота полевого, вьюнка полевого, молочая острого, хвоща полевого, пырея ползучего и др.

В современных системах земледелия увеличение численности сорняков в посевах диктует необходимость использования химических средств. Основная масса семян сорняков накапливается в верхнем (0-10см) слое почвы, где создаются благоприятные условия для их прорастания и уничтожения как химическим, так и агротехническим методом. Поэтому замена вспашки плоскорезной обработкой и дискованием на фоне гербицидов имеет тенденцию повышения урожайности яровых зерновых культур. В то же время без применения гербицидов за 2-3 года количество сорняков в вариантах с плоскорезной обработкой и дискованием возрастало в 1,5-2,0 раза в сравнении со вспашкой. В этих вариантах наблюдалось снижение урожайности ячменя на 3,3-4,0 ц /га.

Причиной снижения урожайности зерновых культур по минимальным обработкам считает, прежде всего, увеличение числа сорняков и более раннее их появление. Установлено, что при мелкой и плоскорезной обработках сорняки прорастают более эффективно, засоряя посевы. Вспашка имеет преимущество в уничтожении запаса семян сорняков, благодаря перемещению их в глубокие слои, где основная масса семян гибнет. По обобщенным данным свыше 50% семян сорняков отмирают в первые 2 года после их заделки в почву, а полное очищение от жизнеспособных семян при условии отсутствия нового обсеменения на бессменном чистом пару отмечено через 24 года.

При выборе основной весенней обработки следует особенно тщательно учитывать засоренность поля. Там, где поля засорены многолетними сорняками, предпочтение следует отдавать отвальной обработке. Плоскорезную и мелкую весеннюю обработку почвы рекомендуется проводить только при высокой культуре земледелия, на полях очищенных от сорняков, на фоне применения гербицидов и минеральных удобрений. Семена сорняков на необработанной почве меньше прорастают на поверхности и хорошо сохраняются до весны, а многолетние сорняки развивают мощную корневую систему, запасают больше питательных веществ, что затрудняет борьбу с ними.

3. Агрофизическое состояние пахотного слоя почвы

Одним из основных агрофизических свойств почвы является ее строение, которое зависит от гранулометрического состава, содержания гумуса, структуры, степени насыщенности основаниями и др. Наибольшую продуктивность растения обеспечивают при оптимальной плотности почвы, которая неодинакова для различных типов почв и полевых культур. На дерново-подзолистых суглинистых почвах оптимальная плотность для зерновых культур находится в пределах 1,1 - 1,3 г/см³ Оптимальной плотностью дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы при посеве ячменя является 1,2 г/см³. Недобор урожая при более высокой плотности - 1,4 г/см³ составил от 3 до 8,3 ц/га. На дерново-подзолистой почве легкого гранулометрического состава оптимальные условия для развития ячменя складываются при плотности в слое 0 - 10 см – 1,0 - 1,3 г/см³, а в слое 10 - 20 см – 1,1 - 1,4 г. В посевном слое наилучшие условия создаются при плотности 1,05 г/см³, в нижележащем до глубины 12 см 1,05 -1,20 г/см³ и глубже – 1,24 г/см³ .

При чрезмерно рыхлом состоянии почвы наблюдается значительная минерализация гумуса в пахотном слое и как следствие - снижается плодородие почвы. При характеристике строения пахотного слоя важно знать соотношение двух групп пор: капиллярных – обладающих свойствами удерживать влагу менисковыми силами и некапиллярных, где влага не удерживается и движется вниз гравитационными силами. Соотношение объема капиллярных и некапиллярных пор определяет влагоемкость и водопроницаемость, испаряемость и аэрацию, влияющих на условия жизнедеятельности почвенной зоо- и микрофауны. Общая пористость почвы должна быть 50 - 60%, а соотношение некапиллярной и капиллярной пористости 1 : 1.

Одним из показателей качества обработки почвы является анализ степени ее крошения. Оптимальной величиной глыбистости почвы после ее предпосевной обработки под яровые зерновые культуры считается 10 - 15 %. При этом учитываются все глыбы площадью 10 см² и более, а точность замеров должна составлять 1 см.

Вспаханная осенью почва в дальнейшем уплотняется. Это естественное уплотнение происходит под влиянием силы тяжести, увлажнения, изменения объема почвы и других факторов. Исследования показали, что самоуплотнение происходит тем сильнее, чем раньше проведена зяблевая вспашка. Проведение дополнительных приемов обработки ранней зяби может еще больше усиливать уплотнение почвы. По данным оптимальная плотность почвы для яровой пшеницы (1,0 - 1,25 г/см³), создаваемая вспашкой на тяжелосуглинистой почве сохраняется только до весны, а в отдельных случаях до фазы кущения. Уже в июне плотность слоя почвы 0 - 20 см достигает 1,35 - 1,5 г/см³. По данным дерново-подзолистая суглинистая почва находится в рыхлом состоянии в течении 2...3 месяцев после обработки. Под воздействием природных и антропогенных факторов она уплотняется до равновесного состояния, а при неблагоприятных погодных условиях и выше.

Исследованиями установлено, что для более полного использования весенних талых вод зябь, уходящая в зиму, должна иметь плотность пахотного слоя около 1,0 г/см³, тогда как для сохранения влаги в почве в весенне-летний период необходимо поддерживать ее в пределах 1,15 - 1,25г/см³. Установлено, что ранняя зяблевая вспашка эффективна, если количество осадков за вегетационный период составляет более 150 мм. При выпадении свыше 250 мм осадков за вегетационный период недостаток влаги бывает небольшой и дополнительное ее накопление за счет ранней зяблевой вспашки не дает эффекта.

Обеспечивая высокую урожайность сельскохозяйственных культур, зяблевая вспашка в отдельных случаях способствует интенсивному развитию эрозионных процессов, приводит к снижению эффективного и потенциального плодородия почвы.

Еще П.А. Костычев (1909) писал: “Перепахивая землю много раз, крестьянин разбивает землю в пыль”. Сжатый воздух в капиллярных промежутках при воздействии плуга в конечном итоге разрушает структуру почвы, превращает комочки в пыль. При обильных дождях или поливах сухая почва быстро смачивается, в результате чего сжимается воздух внутри капиллярных промежутков отдельных комочков. При достаточном сжатии воздух освобождается, вырываясь с силой наружу, и разрушает комочек, превращая его в пыль.

Установлено, что по агротехническим показателям плоскорезная обработка не уступает вспашке. Осенью при проведении вспашки пахотный слой находится в более глыбистом состоянии, чем при плоскорезной и безотвальной обработке.

В настоящее время необходимость отказа от традиционных отвальных обработок связана со слабой реакцией ряда полевых культур на эти агроприемы и часто обусловлена организационными и экономическими причинами. Принято считать, что структура пахотного и подпахотного слоев дерново-подзолистых суглинистых почв является ограничивающим фактором широкого использования минимальной обработки в Нечерноземной зоне. В тоже время пахотный слой дерново-подзолистых почв не насыщен кальцием и характеризуется невысоким содержанием гумуса. Поэтому, процесс агрегации и образование крупных структурных отдельностей на пахотных угодьях идет медленно.

Таким образом, что наиболее высокий агротехнический эффект достигается при рациональном сочетании отвальных и безотвальных обработок почвы в севооборотах с учетом почвенно-климатических условий, а также требований биологии и агротехники возделываемых культур.

Важнейшими задачами зяблевой обработки в Предуралье являются максимальное накопление влаги, сохранение противоэрозионной устойчивости почвы, заделка послеуборочных растительных остатков и удобрений, создание оптимального агрофизического состояния пахотного слоя почвы и др.

В отдельные годы, характеризующиеся значительным увлажнением периода вегетации и затягиванием сроков созревания и уборки хлебов, основную обработку почвы приходится переносить на весну. Большинство авторов утверждают, что весновспашка крайне нежелательный приём. Снижение урожайности по весновспашке авторы связывают с меньшим накоплением влаги, с большей засорённостью посевов и другими причинами, связанными с ухудшением показателей плодородия почвы.

При переносе основной обработки почвы на весну должна решаться еще одна не менее важная задача – подготовка почвы к посеву. Предпосевные обработки должны решать основные три задачи:

1. Семя должно лежать на осевшей земле, неспособной к дальнейшему оседанию;

2. Создать на поверхности рыхлый слой комковатой почвы, легко проницаемой для воздуха и проростка;

3. Очистить в возможной степени верхний слой почвы от способных к прорастанию органов сорняков.

При весенней вспашке непосредственно перед посевом на поверхность выворачиваются нижележащие слои. Токсины, которые медленно разлагаются и накапливаются в нижних слоях почвы, отрицательно влияют на рост и развитие растений. Поэтому в системе весенней основной обработки необходимо стремиться к ее минимализации за счет изменения глубины обрабатываемого слоя и применения комбинированных агрегатов. Минимализация весенней основной обработки почвы способствует лучшему сохранению влаги, сокращает время проведения весенне-полевых работ и затраты труда.

Излишняя рыхлость, особенно на отвальных фонах весенней обработки в засушливые годы приводит к увеличению непроизводительных потерь воды за счет испарения. Во влажные годы качество весновспашки бывает неудовлетворительным из-за плохого крошения, глыбы затвердевают образуется корка.

Экономическое обоснование выбора системы обработки почвы.

Как известно, механическая обработки почвы является одним из наиболее энергоемких элементов современных агроланшафтных систем земледелия. В технологии возделывания полевых культур удельный вес энергозатрат на обработку почвы составляет 30 - 40% от общих энергозатрат по их возделыванию и уборке. Многие ученые в своих работах отмечают, что минимализация обработки почвы является важным резервом экономии энергозатрат и повышения производительности труда.

Все орудия, которые могут использоваться для основной обработки почвы условно можно разделить на 4 группы:

1). Плуги различной конструкции и различного предназначения.

Наиболее распространены отвальные навесные плуги ПЛН – 4 – 35, ПЛН – 5 – 35 с культурной рабочей поверхностью.

Плуги с корпусами для безотвальной пахоты. Они предназначены для обработки малоплодородных почв и почв в районах с недостаточным увлажнением.

В области имеются плуги с новосибирскими стойками СибИМЭ. Они обеспечивают взаимное перемешивание слоев почвы, уничтожение вегетирующих сорняков, улучшают водный режим почв.

Плуги с вырезными корпусами ПВК – 4 – 35. Они предназначены для обработки почв с неглубоким гумусовым слоем на глубину до 32 см. Оборот пласта при работе этим плугом происходит на глубину 18 – 22 см. При такой обработке подзолистый горизонт не выносится на поверхность, а лишь рыхлится и частично перемешивается с плодородным слоем.

Плуги с почвоуглубителями ПН – 4 –34 А, ПЛН – 6 35 – 7 также предназначены для окультуривания дерново-подзолистых почв и разрушения плужной подошвы.

2). Культиваторы.

Эта группа почвообрабатывающих машин представлена орудиями с различными рабочими органами.

- В хозяйствах чаще всего встречаются культиваторы со стрельчатыми лапами КПС – 4,0. Они предназначены для рыхления почвы на глубину до 5…12 см, подрезания сорняков, крошения, выравнивания поверхности почвы. Эти культиваторы использовать для основной обработки почвы нельзя, так как они не предназначены для работы по стерне, в состав агрегата входят бороны БЗСС – 1,0 (8 шт.), которые забиваются пожнивными остатками, а работа без борон дает удовлетворительное качество обработки, большую глыбистость, неравномерную глубину обработки. Конструкция крепления рабочих лап и самого культиватора не дает возможности использовать этот культиватор по стерне.

- Культиваторы с плоскорезными рабочими органами КПЭ – 3,8. Обработку почвы этим культиватором можно проводить на глубину до 16 см. Рабочие органы этого культиватора хорошо подрезают сорняки, рыхлят почву в горизонтальной плоскости, не выворачивают глыбы, оставляет стерню на поверхности, но недостаточно рыхлят почву и создают гребнистую поверхность.

Культиваторы с чизельными рабочими органами ЧКУ – 4,2. Предназначен для послойного рыхления почвы большей частью в вертикальной плоскости с одновременным внесением минеральных удобрений на глубину обработки. При работе культиватора происходит крошение, рыхление почвы, щелевание и частичное перемешивание. Культиватор снабжен боронами. Качество обработки удовлетворительное и хорошее.

3). Дисковые бороны.

- Наиболее распространены БДТ - 3, БДТ – 7. Работа этих борон способствует крошению почвы, частичному ее оборачиванию. Это влечет за собой большую глыбистость. Причем, глыбы при этой обработке достаточно большие. Корни сорняков и вегетирующие сорняки разрезаются на крупные отрезки, которые способны прорасти, особенно корневищные сорняки.

4).Наиболее перспективны для основной ресурсосберегающей обработки почвы на данный момент культиваторы с комбинированными рабочими органами. В хозяйствах имеются комбинированные агрегаты АПК – 3,9. Промышленность предлагает агрегаты нового поколения АКП-4 «Лидер», КСТ- 3,8, дисковый культиватор «Смарагд».

Выбор приема основной обработки зависит от зональных особенностей и местных фитосанитарных, почвенных и ландшафтных условий. Поэтому при внедрении энергосберегающих приемов нужен строгий дифференцированный подход.

Так обработка КПЭ-3,8 и ЧКУ-4,2 позволяет сократить время обработки в 3,5 раза, по сравнению со вспашкой, аналогичные результаты дает обработка комбинированными агрегатами. Они позволяют сократить время обработки 100 гектаров на 100 с лишним часов. А это составляет 10 рабочих дней при продолжительности рабочего дня 10 часов.

Таким образом, при применении минимальных обработок не только ускоряется процесс обработки почвы, но и сокращаются трудозатраты. Наибольшее сокращение трудозатрат дают приемы минимальной обработки. При работе плугами затраты времени на обработку снижаются незначительно. Так, уменьшение глубины обработки повышает норму выработки от 17 до 26%, а замена орудия на более скоростное и с большей шириной захвата может увеличить выработку агрегата на 80%.

Таблица 1.

Сравнительная оценка примерных норм выработки различных агрегатов

Таблица 3.

Сравнительная оценка расхода топлива при подготовке почвы под зерновые культуры различными агрегатами.