Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие: теория и методика исследований

Производство продуктов питания и деградация земель

Согласно оценкам, деятельность человека ежегодно приводит к потере 26 млрд. тонн верхнего плодородного слоя почвы, что в 2,6 раза превышает уровень естественной деградации. Ежегодный ущерб, наносимый эрозией полям, водотокам, инфраструктуре и здоровью человека составляет примерно 44 млрд. долларов США. Прогнозируется, что урожайность культур в США будет ежегодно падать на 8%, если фермерам не удается компенсировать утраченные питательные элементы и обеспечить поля водой для формирование урожая (Pimentel et al.,1995).

Другим прямым следствием упорного использования фермерами традиционных агротехник возделывания является быстрый рост затрат на средства производства, таких как семена улучшенных сортов и удобрения. Данная ситуация усугубляется в связи с их неэффективным использованием фермерами.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие В настоящее время люди пришли к пониманию того, что агротехника должна обеспечивать не только высокие, но и устойчивые урожаи культур. Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие (ПРЗ) – это широко адаптированный подход в ведении земледелия, который обеспечит более устойчивое сельскохозяйственное производство. ПРЗ – это более широкая концепция по сравнению с почвозащитной и ресурсосберегающей (минимальной или нулевой) обработкой почвы. Это система, при которой широко практикуются севообороты и не менее 30% поверхности почвы покрывается растительными остатками и по ним производится посев следующей культуры.

Концепция ПРЗ включает сочетание следующих трех принципов:

1. Сокращение обработки почвы: цель заключается в достижении нулевой обработки почвы (т.е. без вспашки и без предпосевной обработки почвы, посев производится прямым способом по пожнивным остаткам), но система может включать в себя приемы c регулируемой или ленточной обработкой почвы, при которых обрабатывается не более 20-25% поверхности почвы;

2. Сохранение соответствующего уровня растительных остатков и покрова на поверхности почвы (мульчированием) с целью:

• Защиты почвы от водной и ветровой эрозии;
• Уменьшения поверхностных стоков воды и испарения с поверхности поля;
• Повышения продуктивности почвы;
• Улучшения физических, химических и биологических свойств почвы, связанных с ее долгосрочной и устойчивой производительностью.

3. Использование севооборотов, в том числе диверсифицированных севооборотов, с целью:

• Содействия сокращению/смягчению проблем, связанных с возможными появлениями сорняков, болезней и вредителей;
• Использования положительного воздействия отдельных культур на почву и на продуктивность следующей культуры;
• Предоставления фермерам выгодных вариантов возделывания культур, которые сводят риск экономических потер к минимуму.

Эти принципы ПРЗ применимы к широкому диапазону систем земледелия от низкоурожайной богарной, применяемой в засушливых регионах, до высокодоходных систем в орошаемых условиях. Тем не менее, применение принципов ПРЗ отличается в зависимости от ситуации и условий. Поэтому, с помощью адаптивных исследований при активном участии фермеров следует определить конкретные и совместимые компоненты агротехники возделывания сельскохозяйственных культур, такие как, борьба с болезнями и вредителями, тактика борьбы с сорняками, стратегия внесения питательных элементов, разработка севооборотов и др. Например, в условиях самотечного орошения, возделывание культур на постоянных гребнях и полив по бороздам (рис. 1) может быть более подходящей и устойчивой системой, чем посев на ровной поверхности и полив напуском.

Качество почвы

При оценке воздействия системы хозяйствования на устойчивость, главным вопросом является, какая система производства позволит сохранить природные ресурсы, оптимизировать состояние почвы и снизить уязвимость к производству продуктов питания при одновременном сохранении или повышении производительности? При этом качество почвы является практическим результатом данной концепции устойчивости.

Качество почвы можно определить по следующим показателям:

• Способность конкретного типа почвы функционировать в рамках границ естественноуправляемой экосистемы для сохранения продуктивности растений и животных, сохранения или повышения качества воды и воздуха, и для охраны здоровья человека и его места обитания;
• Степень пригодности почвы для конкретного использования;
• Способность почвы обеспечивать высокую производительность, без существенной деградации и вреда окружающей среде.

Качество почв оценивается на основе физических, химических и биологических показателей. Агротехнические приемы, такие как вспашка и оставление растительных остатков, могут изменить качество почвы. Однако изменения качества почвы связаны не только с технологиями возделывания сельскохозяйственных культур, но и с экологическими факторами, такими как температура и осадки. Сравнительная оценка качества почвы – это процесс, при котором производительность системы определяется в зависимости от альтернативных систем земледелия. Биотические и абиотические качества почвенных систем во всех альтернативных системах земледелия сравниваются во времени. Этот вид сравнения полезен для определения воздействия агротехники, применяющейся в течение
некоторого периода времени.

Влияние почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия на физические свойства почвы

Структура и агрегация почв

Структура почвы является важным фактором в функционировании почв и в оценке устойчивости систем земледелия. Структура почвы определяется по размеру, форме и расположению твердых тел и пустот, непрерывностью пор и пустот, их способностью удерживать и передавать жидкости, содержанию органических и неорганических веществ, а также способностью поддерживать интенсивный рост и развитие корневой системы (рис. 2).

Структура почвы часто выражается как степень устойчивости почвенных агрегатов.

Структурная стабильность почвы – это способность агрегатов не изменяться под воздействием различных факторов. Для измерения стабильности почвы обычно применяются встряхивание агрегатов на проволочной сетке в воздухе (сухое просеивание) и в воде (мокрое просеивание или мокрый рассев). При сухом просеивании осуществляется только одно воздействие - просеивание, в то время как при мокром просеивании образцы дополнительно подвергаются воздействию силы воды. Таким образом, показатель среднего диаметра (размера) фракций агрегата почвы после сухого просеивания, как правило, остается большим, чем в результате мокрого просеивания.

Далее мы обсудим три элемента ПРЗ и их влияние на физические свойства почвы. 

Средний диаметр агрегатов почвы – это средневзвешенний показатель, рассчитанный статистическим способом. Пример расчета среднего диаметра агрегатов приведен далее в разделе «Определение распределения почвенных агрегатов по размерам методом сухого просеивания»

Влияние обработки почвы

Нулевая обработка почвы с сохранением растительных остатков на поверхности поля улучшает распределение сухих агрегатов по сравнению с традиционной обработкой. В ряде научных отчетов и публикаций отмечается, что воздействие нулевой обработки на водопрочность почвенных агрегатов заметно сильнее при более высоком показателе среднего размера фракций агрегата при мокром просеивании для широкого диапазона разнообразных почв и агроэкологических условий (см., например, рис. 3).

Обычная обработка почвы способствует хорошему структурному распределению агрегатов, но при этом структурные компоненты почвы формируются более слабыми, чем при нулевой обработке с сохранением растительных остатков. Таким образом, агрегаты почв при нулевой обработке и сохранении растительных остатков становятся более стабильными и менее чувствительными к структурному изменению, в то время как почвы, обрабатываемые традиционной технологией, подвергаются эрозии (рис. 4).

Ниже перечислены результаты прямого и косвенного воздействия обработки на агрегацию почвы:

• Физическое нарушение структуры почвы при механической обработке приводит к прямому разрушению почвенных агрегатов и увеличению их оборота;
• Обработка почвы также приводит к нарушению фрагментов корней и микоризных гифов, которые являются основными связывающими средствами для макроагрегатов;
• Растительные остатки, лежащие на поверхности почвы при ПРЗ, защищают почву от воздействия дождевых капель;
• Вспашка перераспределяет почвенное органическое вещество. Небольшие изменения в содержании органического углерода в почве могут повлиять на стабильность макроагрегатов;
• Органическое вещество почвы может увеличить сопротивление почвы и устойчивость к деформации, а также улучшить макропористость почвы;
• Обработка почвы снижает численность популяций макрофауны (например, дождевых червей) и тем самым снижает положительное воздействие макрофауны на агрегацию почвы.

Влияние растительных остатков

Поскольку органическое вещество является ключевым фактором агрегации почвы, агротехнический прием оставления на поверхности поля растительных остатков предшествующей культуры является важным фактором для структурного развития и стабильности почвы. Давно известно, что добавление органических субстратов в почву улучшает ее структуру. Оставление растительных остатков на поверхности почвы не только увеличивает формирование агрегатов, но также снижает их разрушение за счет сокращения эрозии и защиты от воздействия дождевых капель. Путем применения сухого и мокрого просеивания доказано, что средний диаметр агрегатов почвы, уменьшается с сокращением количества растительных остатков, оставляемых на поверхности почвы.

Кроме того, было выявлено, что сжигание стерни снижает водоустойчивость агрегатов во фракциях >2 мм и <50 мкм. Тем не менее, частичное удаление растительных остатков поддерживает агрегацию почвы в допустимых пределах. Это указывает на то, что не всегда необходимо оставлять все растительные остатки в поле при применении постоянных гребней или нулевой обработки почвы.

Влияние севооборота

Внедрение севооборота может влиять на содержание почвенного органического углерода посредством изменения количества и качества вносимого органического вещества. Следовательно, севооборот может косвенно повлиять на изменение агрегации почвы. Обычно сельскохозяйственные культуры, включенные в севооборот, своей корневой системой влияют на агрегацию почвы, так как корни растений являются важными связывающими агентами в масштабе макроагрегатов. Было установлено, что почва под пшеницей имеет более крупные макроагрегаты, чем под кукурузой (Lichter et al, 2008). Потому, что корневая система пшеницы по сравнению с кукурузой растет больше в горизонтальном направлении. Также густота стояния растений пшеницы является более плотной, что приводит к образованию более густой поверхностной корневой системы. Соответственно, плотная сеть корней может положительно влиять на образование и стабилизацию агрегатов почвы. Кроме того, на формирование агрегатов могут влиять микробная биомасса почвы и бактериальное разнообразие, сформировавшееся благодаря внедрению севооборота.

Пористость почвы

Поры почв имеют различные размеры, формы и протяженность, что влияет на инфильтрацию, водоудерживающую способность агрегатов, движение и распределение газов, а также проникновение корней в почву. Поры создаются абиотическими (например, основной и междурядной обработкой почвы, замораживанием и оттаиванием, высыханием и увлажнением почвы) и биотическими факторами (например, ростом корней, деятельностью почвенной фауны). Изменения в характеристиках пор, прежде всего, отражаются на форме, величине и частоте давления, оказываемого на почву, а также численности микроорганизмов и фауны почвы.

Объемная плотность и общая пористость

Общая пористость почвы обычно рассчитывается на основе измерений объемной плотности, и поэтому, термины объемная плотность и общая пористость могут использоваться взаимозаменяемо. Воздействие обработки почвы и оставления растительных остатков на плотность почвы, в основном, ограничивается верхним (пахотным) слоем почвы. В более глубоких горизонтах почвы объемная плотность, как правило, не меняется и остается одинаковой как при нулевой, так и при традиционной обработке. Можно было бы ожидать, что сокращение обработки с течением времени приведет к прогрессивному изменению общей пористости почвы, приближая её к «устойчивому состоянию». Однако в начале эксперимента, возможно, наблюдаются слишком незначительные изменения, чтобы их можно было отличить от естественных колебаний. В краткосрочных экспериментах невозможно увидеть ясное воздействие метода обработки на объемную плотность почвы. В ходе большинства исследований не было обнаружено существенных различий в объемной плотности почвы между нулевой и традиционной обработкой. Результаты влияния различных методов обработки почвы на объемную плотность в экспериментах, которые проводились приблизительно в течение 10 лет, оказались переменными. В эксперименте в Новой Зеландии повышение объемной плотности почвы при нулевой обработке по сравнению с традиционной наблюдали после 10 лет на недостаточно дренированных лессовых почвах. Однако значительно более уплотненная почва при нулевой обработке
по сравнению с традиционной не оказывала неблагоприятного воздействия на урожайность. При проведении других исследований была обнаружена более низкая объемная плотность при нулевой обработке почвы, чем при минимальной на глубину 3-7 см. В нижних слоях почвы разницы не было обнаружено (Horne et al., 1992).

Различия в объемной плотности между системами обработки почвы в более долгосрочном периоде (>15 лет) были более последовательными. Было обнаружено, что в большинстве случаев плотность почвы в ходе долгосрочного эксперимента (>15 лет) была более высокой в поверхностном слое при нулевой обработке, чем при традиционной. Но пористость почвы оставалась более низкой в слоях ниже 30 см, что свидетельствует о нарушениях, вызванных обработкой более верхних слоев, уплотнением почвы под воздействием подрезания подпахотного слоя почвообрабатывающими орудиями.

Верхние 3 см почвы могут иметь более низкую объемную плотность при нулевой обработке, что объясняется формированием богатой органической массы вследствие мульчирования и, возможно, повышенной деятельностью фауны.

Результаты 15-летнего полевого эксперимента в Китае показали эволюцию плотности почвы при различных системах обработки (Li et al., 2007):

• В первые 6 лет объемная плотность почвы до глубины 20 см была значительно меньше, чем при обычной обработке, демонстрируя увеличение объемной плотности при нулевой обработке, причиной которой, вероятно, было движение колесных транспортных средств и отсутствие регулярного рыхления почвы;
• Тем не менее, в следующие 5 лет средняя объемная плотность почвы при двух методах обработки была похожей;
• В течение последних 2 лет, объемная плотность немного сократилась при нулевой обработке почвы с измельчением и сохранением растительных остатков на поверхности поля, чем при обычной обработке. Это позволяет предположить, что воздействие транспортных средств и сельскохозяйственной техники на объемную плотность было устранено, и было достигнуто новое равновесие, которое привело к улучшению состава почвы, в том числе к повышению содержания органического углерода, увеличению деятельности почвенной биоты, а также к улучшению структуры.

Таким образом, введение нулевой обработки может привести к потере общей пористости, как это было показано увеличением объемной плотности. Тем не менее, потеря пористости, как правило, ограничивается пахотным слоем. Существует ряд доказательств того, что пористость в верхнем 5 см профиле почвы может быть более высокой при нулевой обработке почвы. Степень увеличения пористости может быть функцией накопления органического вещества на этой глубине и повышения деятельности макрофауны. Регулирование движения сельскохозяйственной техники и транспортных средств при переходе к нулевой обработке почвы играет важную роль в ограничении возможной потери порового пространства. О влиянии севооборота и управления растительными остатками на пористость почвы опубликовано мало исследований. Предполагается, что в долгосрочных экспериментах, где в почву возвращают больше растительных остатков, сокращается объемная плотность и усиливается общая и эффективная пористость, чем при системах, в которых растительных остатков оставляется меньше. Чем больше мульчи остается на поверхности, тем меньше объемная плотность. Такой эффект очень четко прослеживается в верхнем слое на глубине 0-3 см и в меньшей степени в слое 3-10 см (Blanco-Canqui and Lal, 2007). Поэтому сохранение растительных остатков важно для предотвращения уплотнения почвы, когда обрабатываемые традиционным способом поля переводятся на нулевую обработку.

Распределение размера и непрерывность пор

Изменения общей пористости, наблюдаемые при применении приемов агротехники, связаны с колебанием распределения пор по размерам. Общая пористость почв распределяется между различными классами пор, которые выполняют разные функции в аэрации, инфильтрации, дренаже и хранении воды в почве, и представляют различное механическое сопротивление росту корней. В табл. 1 приведены три класса пор с их размерами и функциями.

Таблица 1. Классы пор по диаметру и первичной функции.

В научной литературе описывается, что в целом, микро- и мезопористость при нулевой обработке почвы имеют более высокие показатели по сравнению с традиционной обработкой. Однако в некоторых случаях не наблюдается никакого воздействия обработки почвы на пористость. Не достаточно исследований проведено по изучению влияния севооборота и оставления растительных остатков на распределение пор. Тем не менее, в одном исследовании сообщается о большем количестве мезопор в слое 0-3 см при нулевой обработке без сохранения растительных остатков (Blanco-Canqui and Lal, 2007).

Макропоры важны для движения воды и инфильтрации, как в насыщенных, так и в ненасыщенных водой почвах. Кроме того, структура почвы с макропорами обладает большим потенциалом для спокойного роста корней, потому что корни могут обойти зоны высокого механического сопротивления.

При переходе на нулевую обработку, можно было бы ожидать, что макропористость будет ограничена в зоне, которая ранее обрабатывалась для устранения последствий уплотнения почвы, вызванной передвижением сельскохозяйственной техники. Тем не менее, это уплотнение будет постепенно устранено посредством постоянного формирования макропор, вызванным ростом корней и деятельностью фауны. При нулевой обработке по сравнению с традиционной обычно наблюдается уменьшение общей пористости, что связано со значительными изменениями в распределении пор по размерам в классе макропор.

Инфильтрация, удержание и движение воды зависят не только от количества и размера пор, но также от их взаимосвязи и формы. Изменения в морфологии пор отражают различия в процессах, создающих эти поры. При обычной обработке почвы по сравнению с нулевой на глубину 0-20 см больше образуются поры, имеющие нерегулярные и удлиненные формы с диаметром и по длине >1000 мкм. Это может быть связано с ежегодным смешиванием и гомогенизацией благодаря механической обработке. Большее число макропор, ориентированных в горизонтальном направлении, на глубине 5-15 см было обнаружено при нулевой обработке, чем при обычной (VandenBygaart et al., 1999). Биопоры, созданные корнями и фауной, представителем которой являются дождевые черви, могут сохраняться в пахотном слое, если ежегодно не будет проводится обработка почвы. Эти округлые поры размером >500 мкм, более часто встречаются в системах нулевой обработки после нескольких лет, даже когда общее число макропор размером >1000 мкм было гораздо больше при традиционной обработке (VandenBygaart et al., 1999). Это может быть связано с сохранением каналов, созданных корнями растений и червями при нулевой обработке на протяжении многих лет, в то время как при традиционной вспашке эти каналы ежегодно уничтожались. Каналы, созданные дождевыми червями, с накопившимися в них экскрементами, наблюдались в изобилии на участках, где применялась нулевая обработка, на всех глубинах, но отсутствовали на участках, обработанных традиционным способом.

Коэффициент фильтрации и водоудерживающая способность

Можно было бы ожидать, что коэффициент фильтрации при нулевой обработке почвы с сохранением растительных остатков будет выше по сравнению с традиционной обработкой из-за большей макропорной проводимости, которая является результатом увеличения числа биопор. Однако различные исследования дают противоречивые результаты. Хотя во многих исследованиях более высокие показатели коэффициента фильтрации наблюдались при нулевой обработке по сравнению с традиционной. В исследованиях также сообщалось о том, что не было выявлено какого-либо существенного воздействия обработки почвы и управления растительными остатками на этот показатель. Различные результаты частично могли быть следствием сложности определения коэффициента фильтрации в условиях сохранения растительных остатков при нулевой обработке почвы. Наличие растительных остатков на поверхности затрудняет установку измерительных приборов или взятие неповрежденных проб и кернов. Это может привести к сильному изменению значений проводимости при малых масштабах из-за макропор и других структурных функциональных свойств, которые остаются неизмененными при отсутствии обработки почвы. Кроме того, несоответствия наблюдаемых воздействий обработки почвы на коэффициент фильтрации и водоудерживающую способность между результатами разных исследований могут объясняться различиями в глубинах отбора почвенных проб, в количестве растительных остатков (мульчи) и специфических характеристик участка (например, различиями в структуре почвы, склонах, методе обработке и т.п.).

Известно, что различная агротехника возделывания культур, способствующая повышению содержания органических веществ в почве, может также оказать положительное воздействие на ее водоудерживающую способность. Наблюдения подтверждают, что водоудерживающая способность растет с увеличением содержания в почве органического вещества. Следовательно ПРЗ имеет потенциал для увеличения водоудерживающей способности почвы.

Водный баланс почв
Инфильтрация и поверхностный сток

Несмотря на противоречивые результаты исследований влияния обработки почвы и управления растительными остатками на коэффициент фильтрации почвы, все же инфильтрация обычно выше при нулевой обработке с оставлением растительных остатков, чем при обычной и нулевой обработке почвы с удалением растительных остатков. Это, вероятно, происходит из-за прямого и косвенного воздействия растительных остатков на инфильтрацию воды, что обосновывается нижеследующим:

• Разрушение макроагрегатов почвы является основной причиной, ведущей к закупорке пор поверхности первичными частицами и микроагрегатами и, таким образом, ведущей к образованию поверхностного уплотнения или корок. Наличие растительных остатков на поверхности земли предотвращает разрушение агрегатов вследствие прямого попадания на них капель дождя, а также быстрого увлажнения и высушивания почв;
• Агрегаты также являются более стабильными при нулевой обработке с сохранением растительных остатков, чем при традиционной и нулевой обработке с удалением растительных остатков. Это означает, что при нулевой обработке с сохранением растительных остатков ветровая эрозия и быстрое увлажнения будут меньше разрушать агрегаты почвы, а также предотвращается формирование корки на поверхности поля;
• Растительные остатки, оставленные на поверхности, выступают в качестве последовательных препятствий, снижающих скорость поверхностного стока, и дают воде больше времени для инфильтрации. Они также впитывают атмосферные осадки и затем более медленно высвобождают их.

Учеными (McGarry et al., 2000) обнаружено, что интенсивность инфильтрации поверхностной воды, заключительная скорость инфильтрации и общая инфильтрация были значительно выше при нулевой обработке с сохранением растительных остатков, чем при традиционной обработке (рис. 5). Это обосновывалось наличием большого количества непрерывных пор в слое почвы от поверхности до глубины нулевой обработки. В отличие этого, при традиционной обработке формируется поверхностная корка высокой плотности.

Испарение

Испарение воды с почвы определяется двумя факторами: содержанием влаги и необходимой энергией для поддержания процесса испарения с поверхности земли. При вспашке влажная почва перемещается на поверхность, и потери влаги увеличиваются в процессе высыхания. Следовательно, нарушение поверхности поля при обработке увеличивает испарение влаги из почвы по сравнению с испарением на необработанных участках земли. Количество энергии, получаемой поверхностью почвы, зависит от надпочвенного лиственного покрова («зонтика») и надпочвенного покрова из растительных остатков. Растительные остатки и мульча уменьшают испарение почвенной влаги путем снижения температуры, препятствуя диффузии водяного пара, поглощая его и снижая скорость ветра на границе между почвой и атмосферой. Поэтому, скорость высыхания почвы определяется толщиной покрова из растительных остатков, а также атмосферным потенциалом испарения.

Характеристики растительных остатков, влияющие на компоненты энергетического баланса (например, индекс Альбедо и индекс площади, покрытой растительными остатками) и оказывающие большое влияние на потоки испарения, меняются во времени (в течение года) и пространственно (по площади поля) из-за неравномерного распределения растительных остатков.

Содержание влаги в почве и вода доступная для растений

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие может усилить инфильтрацию и уменьшить поверхностный сток и испарение по сравнению с традиционными методами и нулевой обработкой почвы с удалением растительных остатков. Следовательно, влага сохраняется в почве и в наличии будет больше воды для обеспечения потребности сельскохозяйственных культур. Мульчирование помогает сохранять почвенную влагу в течение сезона, что важно при долгом отсутствии осадков. Следовательно, содержание почвенной влаги увеличивается с ростом поверхностного покрова и наличие воды в почве позволяет сельскохозяйственным культурам функционировать во время краткосрочных засух. Поэтому нулевая обработка почвы с сохранением растительных остатков снижает частоту и интенсивность негативного влияния коротких засух на рост и развитие растений в течение сезона. Таким образом, управление обработкой почвы и растительными остатками может существенно повлиять на урожайность сельскохозяйственных культур в регионах или в сезоны с неравномерным выпадением атмосферных осадков.

Эрозия почвы
Водная эрозия

Уровень эрозии при традиционной обработке почвы в среднем в 1-2 раза сильнее, чем на участках с естественной растительностью. Известно, что долгосрочная эрозия приводит к заметному снижению плодородия почвы. Эрозия почвы определяется эрозионностью (способностью эродироваться) и эродируемостью (подверженностью эрозии) почвы. Эрозионность почвы связана с физическими характеристиками воздействия атмосферных осадков на почву и скоростью поверхностного стока. Поэтому на эрозионность оказывают влияние растительные остатки (например, при нулевой обработке почвы с сохранением растительных остатков), которые защищают почву от воздействия дождевых капель и замедляют поверхностный сток, и этим снижают эрозию. Эродируемость почвы связана с физическими характеристиками почвы. Разрушение агрегатов является хорошим показателем измерения эродируемости почвы, поскольку разрушение почвенных структур на более мелкие, более транспортабельные частицы и микроагрегаты увеличивает риск эрозии. ПРЗ обеспечивает относительно высокую стабильность агрегатов, чем традиционные методы или нулевая обработка без сохранения растительных остатков. Соответственно поля с применением ПРЗ характеризуются более низким потенциалом эрозии почв. Сокращение объема поверхностных стоков еще более усиливает положительное воздействие ПРЗ на снижение эродируемости почвы.

Таким образом, ПРЗ снижает скорость эрозии и сохраняет уровень плодородия почвы, и, следовательно, способствует ведению устойчивого земледелия и стабильному повышению урожайности.

Ветровая эрозия

Восприимчивость почв к ветровой эрозии во многом зависит от распределения агрегатов по размеру, что можно определить методом сухого просеивания. Доля агрегатов с более мелкими размерами, чем 0,84 мм, считается фракцией почвы, подверженной переносу ветром. Такая эродируемая фракция встречается в два раза чаще при традиционной обработке, чем при нулевой. Это доказывает, что почвы, подвергающиеся обычной обработке, гораздо больше подвержены ветровой эрозии (Singh and Malhi, 2006 год). Также продемонстрировано, что эродируемая фракция при обычной обработке со временем увеличивается, в то время как при нулевой обработке, она остается неизменной. Покров из растительности и растительных остатков также играет важную роль в уменьшении ветровой эрозии за счет уменьшения воздействия ветра на поверхность почвы и благодаря удержанию этим покровом почвенных частиц. Оставленная стерня более эффективно контролирует ветровую эрозию, чем полегшие растительные остатки.

Температура почвы

Баланс между падающей на почву и отраженной солнечной радиацией определяет энергию, имеющуюся для нагревания почвы. Сохраняемые на поле растительные остатки влияют на температуру поверхности, что в свою очередь влияет на энергетический баланс почвы. Солнечная энергия на поверхности поля разделена на приток тепла к поверхности, отражение сухого (явного) тепла, и скрытое (латентное) тепло для испарения влаги. Покров из растительных остатков отражает солнечное излучение и изолирует поверхность почвы. Частицы почвы имеют более низкую теплоемкость и более высокую теплопроводность, чем вода, поэтому сухие почвы потенциально согреваются и охлаждаются быстрее, чем влажные. Кроме того, во влажных почвах используется больше энергии для испарения влаги, чем для согревания почвы. Почвообрабатывающие операции увеличивают скорость высыхания почвы и теплоснабжения, так как обработка нарушает поверхность поля и увеличивает каналы, по которым происходит испарение. Температура почвы в поверхностных слоях может быть существенно ниже (часто между 2°C и 8°C) в дневное время (летом) при нулевой обработке с сохранением растительных остатков по сравнению с обычной обработкой. В ночное время эффект теплоизоляции благодаря покрову из растительных остатков приводит к сохранению более высоких температур, поэтому разница в температурах почвы в течение 24 часов при нулевой обработке остается меньшей. В тропических теплых почвах мульча уменьшает пиковые температуры, которые слишком высоки для оптимального роста и развития растений, усиливает биологическую активность, начальный рост сельскохозяйственных культур и развитие корневой системы во время вегетационного периода.

Однако в регионах с умеренным климатом из-за низких температур почвы становятся неблагоприятными и холодными, что в итоге приводит к замедлению раннего роста культур и к снижению урожайности, особенно при поздних весенних заморозках. В таких регионах с умеренным климатом рекомендуется использовать полосы без оставления растительных остатков и без обработки почвы по центру ряда. Эти полосы могут обеспечить большим теплом поверхностные слои почвы в центре ряда, и не оказывают никаких побочных воздействий на содержание влаги в почве.

Влияние почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия на химические свойства почв
Органический углерод в почве

Содержание органического углерода, особенно концентрация органического углерода в верхнем слое, были предложены в качестве первичного индикатора качества почвы. Поверхностный слой почвы – это жизненно важный горизонт, в который попадает большая часть семян, удобрений и пестицидов, применяемых на обрабатываемых землях. Кроме того, это слой, на который воздействуют интенсивные атмосферные осадки и который разделяет поток поступающих и вытекающих газов.

Известно, что органическое вещество поверхностного слоя почвы имеет важное значение для борьбы с эрозией, инфильтрации воды и сохранения питательных элементов.

Общее содержание органического углерода в почве

При сравнении общего содержания органического углерода в почве при различных системах земледелия необходимо учесть несколько факторов:

1. Объемная плотность может увеличиваться после перехода от традиционной обработки к нулевой. Если взять образцы на той же глубине в поверхностном слое почвы, больше массы почвы будет взято на участках с нулевой обработкой, чем с участков, обрабатываемых традиционным способом. Это может увеличить фактическое содержание органического углерода в почве при нулевой обработке почвы;
2. Методы обработки почвы также могут влиять на распределение органического углерода в профиле с более высоким содержанием органического углерода в поверхностном слое при нулевой обработке по сравнению с содержанием органического углерода в том же слое почвы при обычной обработке. Однако самое высокое содержание органического углерода находится в более глубоких слоях вспаханной почвы, где растительные остатки заделываются под зябь.

Из-за этих причин содержание органического вещества в почве при нулевой обработке, по сравнению с традиционной, может оказаться завышенным, если не учитывать рыхление почвы на всю глубину плуга.

Влияние вспашки на содержание органического углерода в почве

Воздействие различных компонентов, являющихся составными элементами ПРЗ (нулевая/поверхностная обработка, сохранение растительных остатков и севооборот), на содержание органического углерода в почве пока не полностью установлены. Тем не менее, можно выделить некоторые факторы, играющие важную роль в этом процессе:

• Различия в уровне развития корней и корневой массы: углерод, поступающий из корней сельскохозяйственных культур в почву, может быть очень важным;
• Объемная плотность и пористость почвы: применение нулевой обработки усиливает физическую защиту содержания органического углерода в почве, где объемная плотность относительно высокая и когда применение нулевой обработки снижает объем малых макропор;
• Климат: влияние агротехники на содержание органического углерода в почве в зависимости от климатических условий определяется в следующем порядке - от больших к меньшим изменениям: влажный тропический > тропический сухой > умеренный влажный > умеренно сухой;
• Стабилизация углерода в микроагрегатах и в пределах макроагрегатов: абсорбированные внутри агрегатов дисперсные частицы углерода органического вещества в микроагрегатах почвы способствуют долгосрочному улавливанию и хранению углерода в почве сельскохозяйственных земель. Эти микроагрегаты в пределах макроагрегатов являются относительно стабильным и служат благоприятным местообитанием для микроорганизмов.

Влияние сохранения растительных остатков на содержание органического углерода в почве

Растительные остатки являются основным источником органического углерода в почве. Поэтому оставление большего объема растительных остатков на поверхности земли способствует увеличению концентрации органического углерода в почве. Скорость разложения растительных остатков зависит не только от объема оставляемых растительных остатков, но также и от характеристик почвы и состава растительных остатков. Состав остатков растений, оставленных на поверхности поля – содержание растворимой фракции, лигнина, целлюлозы и полифенолов – будет определять скорость их разложения.

Влияние севооборота на содержание органического углерода в почве

Изменение севооборота может влиять на содержание органического углерода в почве путем изменения количества и качества вносимого органического вещества. Сохранение повышенной влажности, связанное с применением ПРЗ, может позволить выращивание покровных культур для создания дополнительного покрова сразу же после уборки урожая основной культуры. Покровные культуры способствуют повышению содержания органического углерода за счет увеличения объема растительных остатков и обеспечения растительного покрова в критические периоды. Тем не менее, концентрация органического углерода может снизиться при заделке растительных остатков в почву.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие может увеличить возможность интенсификации производства сельскохозяйственных культур за счет более быстрого сокращения времени между уборкой урожая и посевом следующей культуры (поскольку поле не требует дополнительной подготовки). Кроме того, могут выращиваться другие виды культур, поскольку фактический период выращивания может быть расширен благодаря сокращению времени между уборкой и посевом, и повышения содержания влаги в почве. В некоторых ситуациях возможно сеять дополнительную культуру после уборки урожая основной культуры, или применение совмещенных и уплотненных посевов. В общем, было обнаружено, что обогащение севооборота (т.е. переход от монокультуры к системе непрерывной смены культур, переход от оставления поля «под паром» к непрерывной монокультуре или к длительному севообороту или увеличению числа культур в системе севооборота) приводит к повышению содержания органического углерода. Тем не менее, повышение этого показателя в среднем ниже, чем при переходе от традиционной обработки к нулевой. Обогащение севооборота разными видами культур более эффективно влияет на сохранение углерода и азота в почве, чем система монокультуры.

Влияние севооборотов на содержание органического углерода в почве может быть связано с увеличением биомассы, с более высоким валовым производством или с изменением качества оставляемых растительных остатков. Механизмы поглощения углерода в стабильных и долгосрочных формах могут быть разными в зависимости от видов сельскохозяйственных культур. Например, севообороты на основе бобовых дают значительно большие объемы ароматического углерода (высоко биологически резистентной устойчивой формы углерода) в горизонте почве ниже пахотного слоя, чем при бессменном посеве кукурузы (Gregorich et al., 2001 год).

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие: совокупное воздействие минимальной обработки, сохранения растительных остатков и севооборота на содержание органического углерода в почве

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие - это не монокомпонентная технология, а система земледелия, которая включает в себя совокупный эффект всех трех его компонентов. Интенсификация растениеводства соответственно приводит к дополнительному воздействию на содержание органического углерода в почве при нулевой обработке. Для накопления органического вещества в почве (ОВП) необходимо обеспечить не только поступление углерода от растительных остатков, но и чистое внешнее внесение азота, например, посредством внесения зеленых удобрений, состоящих из культур, вступающих в симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Если включать в севооборот внесение зеленого удобрения, состоящего из растительных остатков зернобобовых (вики, гороха), то фиксация азота является основным фактором, обеспечивающим накопление углерода в почве при нулевой обработке. Большее накопление углерода обеспечивают корни сельскохозяйственных культур. Обычная обработка почвы может снизить влияние культур, способствующих фиксации азота и используемых в качестве зеленого удобрения (сидерата). Потому что накопление азота может сокращаться вследствие его высвобождения. Он также может быть потерян в результате выщелачивания или улетучивания в газообразной форме в процессе минерализации органических веществ, вызванных обработкой почвы.

Фракции углерода почвенного органического вещества

Можно выделить следующие фракции углерода, входящего в состав почвенного органического вещества:

• Легко разлагающаяся фракция, образующаяся в ранней стадии процесса гумусообразования;
• Материал, образовавшийся физико-химическими механизмами (промежуточный);
• Биохимически трудноразлагаемая (рекальцитрантная) фракция (стабильная).

Различные фракции углерода содержатся в разных объемах и характеризуются разным временем круговорота в почве. Нестабильный (растворенный) органический углерод, состоящий в основном из мелких частиц органического вещества и некоторого количества растворенного органического углерода, является легко доступным и быстро разлагается. Однако фракция устойчивого (нерастворенного) органического углерода в почве является относительно старой, находится в тесном контакте с минеральными поверхностями, предоставляя ограниченный доступ к микроорганизмам. Лабильная фракция органического углерода играет решающую роль в формировании агрегатов и быстро реагирует на изменения в системе земледелия из-за короткого времени оборота. Поэтому она может быть хорошим индикатором происходящих ранних перемен в содержании органического углерода в почве. Лабильная фракция увеличивается при уменьшении интенсивности обработки почвы. Более высокая лабильная фракция составляет большую часть высокой концентрации органического углерода в почве (в слое 0-10 см) при нулевой обработке по сравнению с обычной (Gregorich et al., 2001 год).

Севооборот может влиять на содержание различных фракций углерода. Более разнообразные и обогащенные видами растений севообороты приводят к формированию большей доли тонких мелких частиц органического вещества. Однако установлено, что обработка почвы оказывает меньшее влияние на легкую фракцию углерода, чем интенсивность возделывания культур.

Наличие питательных элементов в составе почвы

Обработка почвы, управление растительными остатками и севооборот оказывают значительное влияние на распределение и преобразование питательных элементов в почвах. Это, как правило, связано с воздействием ПРЗ на содержание органического углерода в почве (см. 3.1. Органический углерод в почве). Аналогично выводам по содержанию органического углерода в почве, распределение питательных элементов при нулевой обработке отличается от распределения при обычной обработке. Усиление распределения питательных элементов, как правило, наблюдается при повышенном сохранении и наличии питательных элементов вблизи поверхности почвы при нулевой обработке по сравнению с традиционной обработкой. Изменение наличия питательных элементов при нулевой обработке может быть обусловлено размещением растительных остатков на поверхности, по сравнению с заделкой растительных остатков при обработке почвы. Медленное разложение расположенных на поверхности растительных остатков может предотвратить быстрое проникновение питательных элементов в нижние слои почвы. При нулевой обработке, количество непрерывных пор может быть высоким, что приводит к более быстрому и более глубокому проникновению растворимых питательных элементов в почвенный слой. Густота корней сельскохозяйственных культур, как правило, усиливается вблизи поверхности почвы при нулевой обработке по сравнению с обычной. Это способствует поступлению большей доли питательных элементов в поверхностный слой почвы. Однако концентрация питательных элементов в тканях растений, как правило, не зависит от обработки почвы или севооборота.

Наличие азота

Наличие поглощаемого растениями минерального азота в почве зависит от скорости минерализации углерода. Воздействие нулевой обработки почвы с сохранением растительных остатков на минерализацию углерода пока не установлено. Нулевая обработка с сохранением растительных остатков в начальных этапах внедрения не может повлиять напрямую на увеличение содержания азота в почве, потому что растительные остатки сохраняются на поверхности поля. Но эта фаза иммобилизации азота при нулевой обработке может быть кратковременной, поскольку далее наблюдается более высокая иммобилизация, что снижает возможность для выщелачивания и потерь полезного азота в процессе денитрификации.

Общее содержание азота

ПРЗ аналогично влияет на общее содержание азота и органического углерода в почве, поскольку цикл азота неразрывно связан с циклом углерода. При нулевой обработке и оставлении постоянных гребней в почве содержится большее количество азота, чем при обычной обработке (Govaerts et al., 2007). При увеличении объема оставляемых растительных остатков также значительно увеличивается общее содержание азота в почве.

Влияние метода обработки почвы на минерализацию почвенного азота

Обработка почвы способствует разрушению агрегатов, делая органическое вещество более доступным для почвенных микроорганизмов и увеличивая выход минерального азота из активных и физически защищенных форм. Когда обработка почвы сокращается, появляется больше стабильных макроагрегатов. Углерод и азот в макроагрегатах являются более защищенными. В общем, скорость минерализации азота растет, когда обработка сокращается. Скорость минерализации азота также возрастает с увеличением степени применения неорганического азотного удобрения. Управление растительными остатками также определяет скорость минерализации азота. При традиционной обработке растительные остатки заделываются в почву, в то время как при нулевой обработке они остаются на поверхности поля. Заделанные в почву растительные остатки разлагаются в 1,5 раза быстрее, чем размещенные на поверхности. Тем не менее, тип растительных остатков и их взаимодействие с азотом почвы влияют на минерализацию углерода и азота.

Влияние растительных остатков на минерализацию азота

Скорость разложения растительных остатков зависит от их химического состава. Поэтому, наряду с первоначальным остаточным содержанием азота, лигнина, полифенолов и растворимых концентраций углерода для определения качества растительных остатков часто используется соотношение содержания углерода и азота в качестве важного критерия. В процессе разложения органического вещества неорганический азот может быть иммобилизован, в частности, когда в почву вносятся органические вещества с большим соотношением углерода и азота. Растительные остатки имеют очень низкое содержание азота (приблизительно 1%) и фосфора (около 0,1%). Учитывая содержание лигнина и полифенолов в растительных остатках, они играют более важную роль в формировании органического вещества почвы, чем в качестве источника неорганических питательных элементов для роста растений.

Фосфор

Многочисленными исследованиями доказаны более высокие уровни извлекаемого из почвы фосфора при нулевой обработке, чем при традиционной. Это происходит в значительной степени из-за снижения перемешивания фосфорных удобрений с почвой, что приводит к снижению усвоения фосфора (P-фиксации). Преимуществом является, когда фосфор выступает в роли ограничивающего питательного элемента, но может быть угрозой, когда фосфор является экологической проблемой из-за возможности попадания растворимого фосфора в поверхностные стоки. Накопление фосфора в поверхностном слое почвы обычно наблюдается при постоянной нулевой обработке. Если поверхность поля часто высыхает во время вегетационного периода, одним из путей решения может быть более глубокое внесение фосфора при нулевой обработке. Однако если поверхность поля покрыта мульчей и применяется нулевая обработка, то почва, вероятно, будет более влажной, чем при традиционной обработке, и в таком случае, вероятно, внесение фосфора на большую глубину не потребуется.

Калий, кальций и магний

Нулевая обработка сохраняет и повышает наличие питательных элементов, таких как калий, в верхних слоях почвы, где развиваются корни сельскохозяйственных культур. Относительно высокое содержание доступных форм калия наблюдается в более верхних слоях почвы при уменьшении интенсивности обработки. Увеличение оставляемых на поверхности поля растительных остатков может также привести к увеличению концентрации калия в верхнем слое почвы, хотя это больше зависит от вида культуры.

Большинство исследований показало, что обработка не влияет на содержание извлекаемых из почвы кальция и магния, особенно там, где катионообменная емкость (КОЕ) в первую очередь связана с глинистыми частицами. Кроме того, вертикальное расслоение Са и Mg, предположительно, не зависит от обработки почвы и культуры, но полученные результаты пока не являются убедительными.

Катионообменная емкость

Высокое содержание органических веществ, в более верхних слоях почвы, обычно наблюдается при ПРЗ (см. 3.1.1.). Общее содержание почвенного органического углерода может увеличить катионообменную емкость верхнего слоя почвы. Тем не менее, методы обработки почвы и вид культуры, предположительно, не оказывают влияния на катионообменную емкость. Однако сохранение растительных остатков может значительно увеличить катионообменную емкость в слое 0-5 см по сравнению с почвой поля, на поверхности которого не оставляли растительные остатки.

Катионы микроэлементов и алюминий

Увеличение выращивания продовольственных культур, в составе которых есть важные для питания человека микроэлементы, может привести к значительному увеличению их концентрации в пищевых растительных продуктах, способствуя улучшению здоровья потребителей. Более высокое содержание катионов микроэлементов (Zn, Fe, Cu и Mn) в почве наблюдается при нулевой обработке с оставлением растительных остатков по сравнению с традиционной обработкой. Тем не менее, эти результаты пока не дают основу делать окончательные выводы. Токсичность алюминия при применении нулевой обработки с оставлением на поверхности поля растительных остатков, возможно, снижается, вероятно, из-за образования органических комплексов алюминия (Al) особенно когда верхний слой почвы является влажным.

Кислотность

Большинством исследований было установлено, что рН верхнего слоя почвы была ниже (более кислая) при нулевой обработке, чем при обычной. В отношении причин этого закисления есть несколько гипотез:

• Более значительное накопление органического вещества в верхнем слое почвы при нулевой обработке приводит к повышению кислотности водного раствора почвы вследствие разложения растительных остатков;
• Более низкий pH верхнего слоя почвы может быть связан с эффектом подкисления от действия азотных и фосфорных удобрений, применяемых более поверхностно при нулевой обработке почвы, чем при традиционной.

Тем не менее, есть некоторые противоположные результаты, где значительно более высокий pH был обнаружен в верхнем слое почвы при возделывании культур на постоянных гребнях с полным сохранением растительных остатков по сравнению с обычными гребнями и сохранением растительных остатков.

Засоленность

Что касается вопроса о том, влияют ли методы обработки почвы на засоленность, были получены противоречивые результаты. В высокогорьях Мексики было установлено, что выращивание культур на постоянных гребнях является технологией, снижающей засоленность почв в богарных условиях. Кроме того, концентрация Na увеличивается с уменьшением количества растительных остатков, оставляемых на постоянных гребнях (Govaerts et al., 2007). Это может быть важно учесть в зонах с засоленными почвами. В отличие от этого, в другом исследовании было высказано предположение, что обработка почвы ведет к снижению потенциала накопления соли в корневой зоне.

Влияние почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия на биологические свойства почвы

Изменение подхода в обработке почве, практика оставления растительных остатков и обогащение севооборотов разнообразными видами культур становятся причиной серьезных изменений в численности и составе почвенной фауны и флоры, в том числе в численности, как вредителей, так и полезных организмов. Почвенные организмы реагируют на изменения химической и физической среды, вызванные изменением методов обработки почвы, и они, в свою очередь, оказывают влияние на химические и физические свойства почвы, т.е. на структуру почвы, круговорот питательных элементов и разложение органических веществ. Взаимодействия между различными организмами могут оказывать как положительное, так и вредное воздействие на сельскохозяйственные культуры.

Микрофлора почвы включает в себя бактерии, грибы и зеленые водоросли. Остальные интересующие нас группы относятся к почвенной фауне. Почвенная фауна делится на три группы, основанные на их размерах и адаптации к жизни либо в заполненном водой или воздухом поровом пространстве, либо в почвенном покрове из растительных остатков (табл. 2).

Таблица 2. Почвенная фауна сгруппирована по размеру и месту обитания

 

Микрофауна и микрофлора почвы

Поддержание деятельности и разнообразия микробной биомассы и микрофлоры почвы является основой для устойчивой экономики и организации сельскохозяйственного производства. Методы использования почв оказывают воздействие на почвенные микроорганизмы и микробные процессы посредством изменений количества и качества, вносимых в почву растительных остатков, их сезонное и пространственное распределение, соотношение между количеством, оставленных на поверхности растительных остатков и удобрений, количеством внесенных в почву растительных остатков и удобрений, а также изменения в составе вносимых микроэлементов.

Микробная биомасса

Микробная биомасса почвы (МБП) отражает способность почвы хранить и осуществлять круговорот элементов (C, N, P и S) и органического вещества, а также имеет высокую скорость оборота по отношению к общей массе органического вещества почвы.

Микробная биомасса почвы обладает некоторыми интересными характеристиками:

• МБП реагирует на изменения в подходах использования почв часто еще до того, как это воздействие измеряется на предмет содержания органического углерода и азота;
• МБП играет важную роль в физической стабилизации агрегатов;
• Общее подавление болезней, передаваемых через почву, также связано с общим объемом МБП, которое конкурирует с патогенами за ресурсы или вызывает угнетение через более прямые формы антагонизма.

Доля поступления органического углерода из биомассы растений, как правило, считается доминирующим фактором регулирования количества МБП. Непрерывное и равномерное поступление углерода из растительных остатков является источником энергии для микроорганизмов. Сохранение растительных остатков на поверхности почвы может привести к значительно более высоким объемам МБП – углерода и азота в более верхних слоях почвы по сравнению с ситуацией, когда растительные остатки удаляются. Управление растительными остатками оказывает большее влияние на МБП, чем метод обработки почвы. Значительные изменения, в основном, происходят в верхних слоях почвы. Влияние метода обработки на МБП и содержание углерода и азота также ограничивается, главным образом, в верхних слоях, а на более низких глубинах (5-10 см и 10-15 см) (Govaerts et al., 2007b), МБП и содержание углерода и азота, как правило, отличаются незначительно. Благоприятное воздействие нулевой обработки почвы и сохранение растительных остатков на популяции микроорганизмов происходят, в основном, за счет повышения аэрации почвы, более прохладных и влажных условий, более низкой температуры и влажности, а также относительно высокого содержания углерода в поверхностном слое почвы. Влияние различных севооборотов становится более понятным, когда учитывается длина периода оставления поля под паром. Сокращение продолжительности периода под паром увеличивает МБП, а также содержание углерода и азота. Каждая вспашка усиливает разложение органического вещества с последующим сокращением органического вещества в почве.

Функциональное разнообразие

Функциональное разнообразие и избыточность, которая относится к резервному запасу находящихся в состоянии покоя организмов или к сообществу с огромным межвидовым разнообразием и свойствами пластичности, являются признаками улучшения здоровья почвы, и позволяют экосистеме поддерживать стабильную функцию почвы. Невозможно определить функциональное разнообразие микробных сообществ в почве на основе структуры сообществ, в значительной степени потому, что микроорганизмы часто присутствуют в состоянии покоя или в неактивных стадиях. Эти покоящиеся микроорганизмы не учитываются в большинстве измерений. Прямое измерение функционального разнообразия микробных сообществ может дать дополнительную информацию о функциональном состоянии почв.

Наблюдается широкое функциональное разнообразие микроорганизмов почвы при нулевой обработке с сохранением растительных остатков, чем при традиционной. Пока растительные остатки сохраняются, различия физиологического профиля МБП на уровне сообществ являются минимальными между почвами при нулевой и традиционной обработке. Если растительные остатки удаляются, функциональное разнообразие уменьшается при нулевой обработке (Govaerts et al., 2007b). Корни растений играют важную роль в формировании микробного сообщества посредством широкого спектра корневых выделений, состав которых может отличаться в зависимости от вида растений. Поэтому, в зависимости от этой изменчивости также меняется и состав бактериальных сообществ. В целом, это указывает на важность севооборота для здоровья почвы.

Ферментативная активность почв

Почвенные ферменты играют важную роль в активизации реакций, необходимых для разложения органического вещества и круговорота питательных элементов. Они участвуют в передаче энергии, влияют на улучшение качества окружающей среды и урожайность культур. Приемы агротехники, такие как обработка почвы, севооборот и управление растительными остатками могут оказывать различное воздействие на различные почвенные ферменты. Активность фермента обычно уменьшается с глубиной почвы. Таким образом, разница в активности ферментов в зависимости от агротехники возделывания культур больше всего наблюдается в более верхних слоях почвы. В этом плане, севооборот и управление растительными остатками могут также повлиять на активность почвенных ферментов. Сокращение применения паров, по-видимому, повышает ферментативную активность углерода и круговорот фосфора.

Структура микробного сообщества

Актиномицеты и другие бактерии, грибы, простейшие и водоросли являются самыми распространенными и наиболее метаболически активными популяциями в почве.

Грибы и бактерии

Грибы являются пищей для нематод, клещей и других, более крупных почвенных организмов, но могут поражать и другие организмы. Нитчатые грибы способствуют разложению органического вещества и участвуют в круговороте элементов питания. Особую актуальность в системах земледелия приобрели арбускулярные микоризные грибы, которые являются широко распространенными симбиотическими организмами большинства высших растений, включая большинство сельскохозяйственных культур. Внешний мицелий арбускулярных микоризных грибов действует как продолжение корней растения-хозяина и поглощает из почвы питательные элементы, особенно обладающие низкой мобильностью, такие как P, Cu и Zn. Арбускулярные микоризы взаимодействуют с патогенами и другими обитателями ризосферы, влияющими на здоровье и питание растений.

Часто говорят, что, в масштабе микро-пищевой цепи, в системах земледелия с нулевой обработкой почвы, как правило, доминируют грибы, в то время как при обычных системах, как правило, доминируют бактерии. Тем не менее, это может зависеть от того, производятся измерения в более верхних горизонтах или в более глубоких слоях почвы, так как в растительных остатках на поверхности почвы при нулевой обработке почвы, как правило, доминируют грибы. Разрушение сети микоризных гифов - важного источника инокулята - при старении корней является возможным механизмом, с помощью которого обычная обработка почвы уменьшает колонизацию корней арбускулярной микоризой. Когда растительные остатки сохраняются, они служат в качестве непрерывного источника энергии для микроорганизмов. Сохранение растительных остатков на поверхности увеличивает численность микробов благодаря улучшению условий для их размножения в растительных остатках (мульчирующем покрытии). Сокращение обработки почвы также оказывает влияние на некоторые бактерии, такие как Agrobacterium spp. и Pseudomonas spp. Следовательно, это связано не с одной нулевой обработкой почвы, благодаря которой увеличивается численность микрофлоры, а с сочетанием нулевой обработки и оставлением растительных остатков.

Нематоды

Было отмечено, что при нулевой обработке в растительных остатках сельскохозяйственных культур доминируют грибы. Нематоды, питающиеся грибами, преобладают в слое почвы 0-5 см при ее нулевой обработке. Поверхностная обработка приводит к значительно большей численности нематод по сравнению с обычной обработкой. Сохранение растительных остатков способствует высокой плотности популяции свободноживущих (полезных) нематод, в то время как традиционная обработка, независимо от оставления растительных остатков, способствует подавлению нематод-паразитов растений. Популяция организмов, питающихся бактериями, была значительно выше при традиционной обработке почвы, чем при нулевой и сохранении растительных остатков (Yeates and Hughes, 1990). Есть данные, свидетельствующие, что севооборот также воздействует на плотность популяции свободноживущих нематод.

Болезни, передающиеся через почву

Сокращение обработки почвы оказывает различное влияние на разные виды вредителей в зависимости от их стратегии выживания и жизненных циклов. В наибольшей степени страдают от обработки почвы виды, проводящие одну или несколько стадий своей жизни в почве. Когда поверхностная обработка сочетается с сохранением растительных остатков на поверхности поля, то это обеспечивает развивающиеся в растительных остатках патогены и полезные виды субстратом для роста, и патогены находясь на поверхности почвы могут свободно выпускать споры. Многие патогены используют растительные остатки урожая основных культур в качестве пищевой базы и как мост для перехода к заражению следующей культуры. Это включает в себя разнообразие некротрофных грибковых патогенов, поражающих листья, стебли и соцветия, которые выживают как репродуктивные и споро-распространяющие структуры, формирующиеся в мертвой ткани хозяев. Такие структуры могут идеально располагаться на поверхности почвы и под листовым пологом следующего урожая при системах с нулевой обработкой почвы.

Наиболее распространенными патогенными микроорганизмами корневой гнили, обнаруживаемыми на зерновых культурах при нулевой обработке почвы, являются:

• Gaeumannomyces graminis (sacc.), Аrx & Оlivier var. Tritici i walker - офиоболезная корневая гниль. Современное название гриба: Gaeumannomyces graminis var. Graminis (sacc.);
• Гриб Rhizoctonia, вызывающий корневую гниль (“черная ножка”) и Rhizoctonia solani Kuhn AG 8, вызывающий ризоктониоз; 
• Фитопатогенные грибы Pythium aphanidermatum (Edison) Fitzp и другие виды того же рода, вызывающие выпревание и корневую гниль;
• Fusarium culmorum (W.G. Sm.) Sacc., F. Pseudograminearum O’Donnel и Т. Aoki и другие виды, принадлежащие к роду Fusarium, вызывающие фузариозную гниль корневой шейки, корневую и прикорневую гниль;
• Несовершенный гриб Bipolaris sorokiniana (sacc.) Shoem., вызывающий обыкновенную или гельминтоспориозную корневую гниль.

Много исследований было посвящено изучению влияния болезней корневой гнили на растения пшеницы и ячменя, выращиваемые при обычной обработке почвы. Однако очень мало исследований проведено по изучению воздействия ПРЗ на культуры, и эти исследования дали противоречивые результаты. Оставление растительных остатков на поверхности почвы способствует снижению температуры и повышению влажности верхнего слоя почвы. Эти условия могут быть благоприятными для корневых инфекций, являющихся причинами выпревания, а также для корневой гнили, вызываемой фитопатогенными грибами Pythium и грибами Rhizoctonia. Тем не менее, увеличение распространенности корневой гнили не всегда наблюдается при нулевой обработке почвы. Зараженные растительные остатки, оставленные нетронутыми в почве, могут представлять более высокий риск для инфекции следующего урожая, чем, если эта ткань раздроблена на мелкие части при обработке почвы. С другой стороны, при обработке почвы также будут распространяться зараженные растительные остатки более равномерно, так что больше корней растений следующего урожая будут подвергаться инфекции. Поскольку фузариозные корневая и прикорневая гнили выживают в соломе, возможно, что заболевание будет более тяжелым при прямом посеве без обработки почвы, чем при обычной технологии. В нескольких случаях отмечался рост заболеваемости растений фузариозной корневой гнилью, но не было найдено прямой связи между ростом заболеваемости корневой гнилью и урожаем. Севооборот может уменьшить распространение патогенных микроорганизмов на растительные остатки в почве. При монокультуре популяция почвенной микрофлоры может формироваться в течение многих лет, что приводит к снижению урожайности. Двухлетний севооборот, включающий один год перерыва (оставление пара), может существенно снизить давление патогенов на почву из-за изменений в составе биоты почвы. Однако севообороты должны быть экономически жизнеспособными, чтобы быть принятыми фермерами. Для того, чтобы применение севооборота было эффективным для профилактики корневой гнили, вызываемой такими патогенами, как Pythium и Rhizoctonia, которые имеют широкий спектр растений-хозяев, севооборот должен включать в себя применение чистого пара, когда поле оставляется незасеянным. Однозначно эта мера может сопровождаться определенными расходами и отсутствием дохода с данного поля, что также зависит от длительности перерыва. Болезни и вредители также могут адаптироваться к севообороту.

Поверхностная обработка в сочетании с сохранением остатков косвенно влияют на видовой состав сообщества микроорганизмов почвы за счет улучшения сохранения влажности и изменения температуры почвы. Изменения в содержании органического вещества почвы при нулевой обработке и сохранение растительных остатков могут также способствовать росту численности многих других микроорганизмов в поверхностном слое (0-10 см). Таким образом, нулевая обработка в сочетании с оставлением растительных остатков может создать среду, которая более антагонистична для патогенов из-за конкуренции и воздействия антибиоза.

Несколько грибковых и бактериальных видов играют важную роль в ведении биологической борьбы с корневыми патогенами и, в общем, в поддержании здоровья почвы:

• Штаммы Pseudomonas могут подавлять почвенные патогены растений посредством различных механизмов;
• Многие почвенные виды актиномицетов Actinomycetes производят биологически активные метаболиты, которые могут быть использованы в качестве антибиотика;
• Некоторые представители рода Fusarium spp. выступают в роли активных агентов биологической борьбы.

В исследовании, проведенном Говэртсом и др. (Govaerts et al., 2006), были получены доказательства того, что нулевая обработка почвы с применением севооборота и сохранением растительных остатков способствовала повышению влажности почвы, усилила структуру почвы и усвояемость микроэлементов больше, чем при применении обычной обработки, что в итоге, способствовало формированию более высоких урожаев. Нулевая обработка и оставление пожнивных остатков способствовали расширению многообразия микробной флоры почвы. Болезни корней растений могли повлиять на рост, развитие и урожайность культур, но потерь было сравнительно меньше, чем от других критических факторов, влияющих на рост и развитие растений, таких как наличие воды или микро- и макроэлементов. В долгосрочной перспективе, нулевая обработка почвы с сохранением растительных остатков создает благоприятные условия для развития антагонистов и хищников в почве, и способствует созданию новой экологической устойчивости (Govaerts et al., 2006). Таким образом, существует потенциальная возможность для более высокого подавления патогенных микроорганизмов на полях с применением прямого посева и с сохранением растительных остатков.

Помимо стратегически важных севооборотов и усиленной биологической борьбы при системе ПРЗ, в качестве контрольной меры была предложена фумигация почвы на небольших площадях при условии, когда проблемой могут быть почвенные болезни. Фумигация является экономичной только для определенных высокоценных огородных культур, таких как, например, клубника.

Селекция растений сыграла важную роль в эффективной борьбе против специализированных патогенов, таких как ржавчинные и плесневые грибы. Селекционерам удалось использовать огромное разнообразие генотипов для выведения устойчивых сортов. В будущем стратегия селекции будет направлена на выведение сортов для конкретных систем земледелия.

Густота нематод варьируется в диапазоне от 2 x 105 особей на м2 в сухой почве до более чем 3 x 107 особей на м2 во влажных почвенных экосистемах. Можно ожидать потери урожая из-за влияния нематод при обычных системах земледелия при неоптимальном орошении и в полузасушливых условиях. В экономическом отношении важны несколько паразитических фитопаразитических нематод, например Pratylenchus thornei, которые могут привести к потере до 40% урожая. Наличие фитопаразитических нематод в почве не обязательно означает, что урожай будет потерян. Вполне возможно, что популяция нематод может находиться ниже порога вредоносности. Не все нематоды реагируют одинаково на степень обработки почвы и мульчирование. Вполне возможно, что численность популяции естественных врагов нематод - паразитов в условиях минимального воздействия на почву будет повышена. Растительные остатки также могут повысить численность популяции бактерий, являющихся едой для других видов паразитов. Таким образом, их число будет увеличиваться при нулевой обработке почвы с сохранением остатков.

Мезо- и макрофауна почвы

С функциональной точки зрения, почвенная макрофауна может быть разделена на две группы:

1. Преобразователи покрова из растительных остатков (крупные членистоногие и мезофауна почвы): оказывают незначительное влияние на структуру почвы. Они фрагментируют растительные остатки и откладывают в основном органические фекальные гранулы;
2. Инженеры экосистем (в основном термиты и дождевые черви): поглощают смесь органических и минеральных веществ и способствуют постепенному введению мертвых органических материалов в почву. Они сильно влияют на структуру и агрегацию почвы.

Мезофауна почвы

Микроскопические членистоногие почвы состоят в основном из ногохвосток и клещей и образуют основную часть мезофауны почвы. Ногохвостки обычно подавляются нарушениями почвы в связи с обработкой, хотя в некоторых исследованиях сообщается о противоположном влиянии или отсутствии влияния обработки почвы. Клещи обладают более широким диапазоном и более экстремальным реагированием на обработку почвы, чем группы микроорганизмов. При этом отмечается рост или сокращение численности от умеренного до экстремального. Различные таксономические группы клещей по-видимому, по-разному реагируют на нарушение почвы в ходе обработки, что объясняет некоторые из различных видов их реагирования. Воздействие обработки на численность микроскопических членистоногих вызвано частично физическим нарушением почвы при вспашке. Некоторые особи могут погибнуть в процессе обработки или в результате попадания под почвенными комками, образующимися при отвальной вспашке с оборотом пласта. Другой основной группой фауны в мезофауне являются энхитреиды. Это маленькие, бесцветные черви, которые активно прорывают ходы в почве, способствуя усилению аэрации, инфильтрации воды и росту корней, а обработка может либо ингибировать, либо стимулировать их развитие.

Макрофауна почвы

Большие организмы, как установлено, особенно чувствительны к управлению агросистемой. Меньше пострадают виды, обладающие высокой подвижностью и высоким потенциалом роста численности популяции. Обработка почвы, производя прямое физическое воздействие, также разрушает среду обитания, сильно снижая численность популяций как преобразователей растительного покрова, так и инженеров экосистем. Заделывание растительных остатков в почву может ограничить процессы реколонизации почвенной биотой за счет перераспределения источника питания, а также значительных колебаний содержания воды и изменения температуры, что сокращает их активный период в почве. Хотя севообороты теоретически могут быть полезными для популяций макрофауны за счет увеличения возвращаемого объема биомассы в почву, конкретные доказательства этого процесса пока неубедительны.

Дождевые черви

Положительное влияние дождевых червей наблюдается не только благодаря их изобилию, но и функциональному разнообразию их сообщества. Дождевых червей можно подразделить на три условные морфо-экологические группы (в соответствии с их поведением в окружающей среде):

• Эпигейные - обитающие на поверхности почвы и питающиеся в слое с растительными остатками;
• Норные - питающиеся смесью растительных остатков и минералов почв, роющие вертикальные норы с отверстиями на поверхности;
• Эндогейные - населяющие минеральные горизонты и питающиеся более или менее обогащенной органическим веществом почвы.

Виды дождевых червей различаются по их экологическому поведению, и, таким образом, по-разному влияют на почвы. Для поддержания структуры почвы, как представляется, необходимо наличие всех групп. Фактически, было выявлено, что несбалансированные сочетания видов дождевых червей из-за нарушений почвы вспашкой, уменьшают инфильтрацию и являются причиной сильной эрозии.

Было установлено, что численность червей, их разнообразие и активность увеличиваются при ПРЗ по сравнению с традиционной технологией. Хотя обработка почвы является основным фактором, нарушающим популяцию дождевых червей, оставление пожнивных остатков также важно, поскольку дождевые черви не обладают способностью поддерживать в себе постоянное содержание воды (содержание воды в червях в значительной степени зависит от водного потенциала окружающей среды). Продукты выделительной деятельности дождевых червей (экскременты) способствуют созданию стабильных органо-минеральных комплексов, обладающих сокращенной скоростью разложения, что благоприятствует устойчивости макроагрегатов почв, если дать им возможность высохнуть или созреть.

Тем не менее, когда свежие выделения подвергаются воздействию дождя, они могут быть легко разрушены и это внесет вклад в эрозию почвы и потерю микроэлементов. Также было выявлено, что деятельность дождевых червей связана с усилением инфильтрации при нулевой обработке почвы благодаря увеличению шероховатости поверхности почвы и повышению макропористости почвы, особенно когда популяции дождевых червей значительны.

Термиты и муравьи

Было высказано предположение о том, что термиты и муравьи играют такую же важную роль в преобразовании почв, как и дождевые черви. Они преобладают в засушливых и полузасушливых регионах, где дождевые черви, как правило, отсутствуют или их численность небольшая. В целом, термиты и муравьи способствуют усилению инфильтрации путем улучшения агрегирования и пористости почвы. Питающиеся почвой4 термиты также образуют микроагрегаты либо пропуская грунтовой материал через свою кишечную систему и откладывая его в качестве фекальных гранул, либо путем смешивания почвы с помощью слюны, выделяемой в челюстях.

Муравьи изменяют качество почвы, увеличивая содержание органического вещества, песка и ила, и снижая содержание глины, концентрации Ca, Mg, K, и Na, особенно в местностях, расположенных близко к муравейникам и маршрутам движения муравьев.

Варианты агротехнических приемов, благоприятные для популяций муравьев и термитов, такие, как оставление растительных остатков, поверхностная и нулевая обработка, были определены в качестве ключевых факторов улучшения верхнего слоя почвы в агро-экосистемах, даже в деградированных условиях Сахеля (Африка). Однако, учитывая неоднородное и физически ограниченное распространение, не ясно, оказывает ли деятельность муравьев и термитов какое-либо воздействие на уровне поля. Кроме того, их положительное влияние на структуру почвы может быть нейтрализовано отрицательным воздействием деятельности растительноядных на урожайность культуры и сохранение растительных остатков.

Членистоногие

Не все членистоногие являются преобразователями остатков. Тем не менее, большинство членистоногих вносят вклад, по крайней мере, частично в инкорпорирование органического вещества посредством рытья подземных ходов и перемещения продуктов, которыми они питаются, тем самым улучшая структуру почвы. Теоретически, условия ПРЗ благоприятны для членистоногих, поскольку растительные остатки на поверхности почвы, являются источником пищи для многих членистоногих. Разнообразие всех видов членистоногих, как правило, выше при ПРЗ по сравнению с обычными системами. Интересно отметить, что при системе нулевой обработки почвы было выявлено увеличение присутствия хищных видов по сравнению с растительноядными видами. Это имеет серьезные последствия для борьбы с болезнями и вредителями.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие: сохранении почвенного углерода: миф и реальность

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие продвигается в качестве технологии, повышающей устойчивость сельскохозяйственного производства и обладающей потенциалом снижения выбросов парниковых газов. Следует отметить, что различные публикации содержат противоположные выводы о потенциале практики ПРЗ для хранения углерода (то есть процесса удаления углекислого газа (CO2) из атмосферы и осаждение его в почве).

Круговороты углерода и азота
Глобальные круговороты (циклы) углерода и азота

Глобальный круговорот (цикл) углерода состоит из короткого термо-биохимического цикла, который является частью долгосрочного геохимического цикла. Ежегодные выбросы углекислого газа в атмосферу, связанные с деятельность человека, составляют 8,6 Пг углерода (петаграмм, 1015 г, или 1 триллион кг) C. Естественно это влияет на циклы как углерода, так и азота. Из такого объема выбросов углерода, 3,3 Пг поглощается атмосферой и 2,2 Пг поглощается океаном (рис. 1а). В последние 150 лет выбросы CO2 в атмосферу увеличились на 31%.

Углерод в почве состоит из запасов:

1. Органического углерода (ОУ);
2. Неорганического углерода (НУ).

Сельскохозяйственная деятельность в основном влияет на содержание органического углерода в почве. Кроме того, деградация почвенного углерода приводит к значительным потерям плодородия, создает угрозу для сельскохозяйственных производственных систем и обеспечения продовольственной безопасности. Поэтому, поглощение и сохранение углекислого газа из атмосферы в почве увеличивает устойчивость систем ведения сельского хозяйства.

Азот на земле состоит в основном из запасов газообразного азота в атмосфере и азота, который циркулирует между биотой и почвой в виде нитрата (NO_3-), нитрита (NO_2-) и аммония (NH₄₊) (рис. 6б). Связанный с деятельностью человека рост промышленных и транспортных выбросов увеличил в два раза передачу азота из атмосферы в биологически доступные запасы (в основном путем фиксации промышленного азота) и посредством поглощения, включения в реакции и осаждения газов азота, таких как закись азота (N₂O), окись азота (NO) и аммиак (NH₃).

При разложении в почве органического вещества в атмосферу выделяется CO₂, а в почву - аммоний (NH₄₊). При этом аммоний не усваивается микроорганизмами, а окисляется в аэробных условиях в нитраты (NO3-) (рис 6б). Этот процесс, называемый нитрификация, состоит из двух этапов. Непоглощенный микроорганизмами аммоний вступает в реакцию с кислородом и образуются нитриты (NO_2-). Затем происходит окисление этих нитритов в нитраты (NO_3-). Когда содержание кислорода в почве изменяется, нитрификация подавляется и в процессе денитрификации нитраты (NO₃) окисляются и преобразуются в нитриты (NO_2-), оксид азота (NO), закись азота (N₂O) и молекулярный азот (N₂). В почвах процессы нитрификации и денитрификации могут происходить одновременно. В этот процесс также могут включиться микроорганизмы, которые могут одновременно окислять NH₄₊/NO_2-, и сокращать содержание NO_2-/NO_3-

N₂O - это газ, выбросы которого вносят вклад в изменение климата посредством оказания «парникового эффекта». Вклад наиболее важных биологических парниковых газов в глобальное потепление составляет:
• Углекислый газ (CO₂) - 70%;
• Метана (CH₄) - 23%;
• Закиси азота (N₂O) - 7%.

Биологический круговорот (цикл) углерода и азота в агросистемах
Углерод

Поглощение углерода сельскохозяйственными культурами происходит в процессе фотосинтеза. А в почву углерод поступает с надземными и подземными остатками биомассы. Мертвое органическое вещество разлагается различными почвенными организмами, которые получают энергию для роста из окислительного разложения сложных органических молекул. При разложении, около половины углерода минерализуется и высвобождается как CO₂.

В агросистемах есть четыре источника выбросов CO₂:

• Дыхание растений;
• Окисление органического углерода в почвах и растительных остатках;
• Использование топлива для сельскохозяйственной техники (тракторы и другое оборудование);
• Использование топлива в производстве удобрений и пестицидов для сельскохозяйственного производства.

Почвы также могут производить метан (CH4), например, почвы водно-болотных и рисовых полей.

Уровень содержания углерода в почве определяется балансом углерода, поступающего от растительных остатков, и потерь углерода вследствие разложения органического вещества. Технологии обработки почвы для увеличения общего содержания органического углерода требуют усиления внесения углерода в почву, снижения потерь от его разложения, или применения обоих приемов сразу.

Поступление углерода можно увеличить посредством:

• Диверсификации севооборотов;
• Сокращения обработки почвы и оставления растительных остатков на поле;
• Оптимизации применения средств производства, таких, как удобрения, вода, пестициды и др.

Химическое разложение и потери углерода можно сократить путем:

• Изменения технологии обработки почвы;
• Включение в севообороты культур, растительные остатки которых медленнее разлагаются.

По мере совершенствования практики ведения сельского хозяйства, содержание органического углерода будет постепенно приближаться к новому устойчивому состоянию. Время, необходимое для достижения нового устойчивого состояния, по оценкам экспертов, составит примерно от 20-40 до 50-100 лет.

Азот

Круговорот (цикл) углерода и азота связан с их накоплением в химическом составе культур и в органических веществах почвы. Азот поступает в почву из атмосферы с отложениями сухих и влажных форм азотсодержащих соединений, удобрений / навоза и фиксации азота бактериями. Содержание азота в почве может сокращаться при таких процессах, как испарение аммиака (NH₃) и выброс продуктов денитрификации (N₂, N₂O, NO). Минеральный азот из почвы поглощается растениями. Растительные остатки, оставляемые на поле после уборки урожая, вносят вклад в повышение запасов органического азота. Этот органический азот, получаемый от распада растительных и животных остатков, в процессе минерализации преобразуется в неорганические минеральные формы, что приводит сначала к образованию аммония (NH₄₊). Обратный процесс происходит, когда аммоний поглощается микроорганизмами и вновь превращается в органический азот (иммобилизация). Эти два процесса непрерывно изменяют запасы минерального азота в почве. В случаях чрезмерного увлажнения, минеральный азот (в частности, при выщелачивании NO₃) может вымываться за пределы досягаемости корнями растений (выщелачивание) (рис. 6б).

Внесение большого количества азота в виде азотных удобрений оказывает очень сильное влияние на динамику азота в агросистемах. Внесение азота в почву повышает производительность и способствует накоплению биомассы в краткосрочной перспективе. Таким образом, повышение уровня внесения азота в почву было воспринято в качестве стратегии направленной на сохранение почвенного углерода. Тем не менее, применение азота в качестве удобрений сопровождается затратами на выбросы CO₂, вызванные производством, упаковкой, транспортировкой и внесением удобрений. Кроме того, повышение содержания почвенного органического вещества может ускорить динамику накопления азота и, естественно, выброса N₂O, как парникового газа.

Таким образом, азот влияет на баланс парниковых газов четырьмя путями:

1. CO₂ высвобождается из топлива, необходимого для интенсивного производства азотных удобрений;
2. Изменения урожайности культур в зависимости от нормы внесения азота; увеличение использования азотных удобрений может привести к снижению рн почвы. Нейтрализация закисленной почвенной среды требует применение извести, производство которой также является энергоемким процессом и сопровождается выделением CO₂;
3. Объемы выбросов N₂O изменяются в зависимости от технологии обработки почвы и нормы вносимого азота;
4. Технологии, позволяющие контролировать содержание углерода в почве: обычные технологии обработки почвы или технологии почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия.

Разложение и иммобилизация углерода микробами

Увеличение почвенного органического углерода в системах земледелия зависит от вносимого в почву органического материала, его характеристик и разложения микроорганизмами. Органическое вещество является основным средством жизни углерода для почвенных микроорганизмов. После минерализации часть углерода, содержащегося в органических соединениях почвы, используется для роста и развития растений, а остаток выделяется в виде углекислого газа (СО2) и возвращается в атмосферу. Факторами, регулирующими процесс разложения органических соединений, являются:

1. Климат;
2. Химические ограничения, связанные с ресурсами почвенной биоты;
3. Физические свойства почвы;
4. Биологическое регулирование посредством взаимодействия между макро- и микроорганизмами.

Установлено, что растительный материал разлагается быстрее всего в почвах с порами относительно большого объема с диаметром 15-60 мкм. По мере разложения происходят качественные изменения в почве: соединения, которые ассимилируются легко, быстро метаболизируются, в то время как устойчивые формы, такие как лигнин, имеют тенденцию накапливаться. Дефицит микроэлементов на любой стадии разложения органической массы может ограничить микробиологическую активность, и, таким образом, блокирует высвобождение питательных элементов. При этом азот является питательным элементом, которого не хватает чаще всего.

Оценка влияния почвенной макрофауны на агрегирование почвы

Исследованиями установлено, что жизнедеятельность почвенной макрофауны способствует формированию как макро-, так и микроагрегатов. В частности, дождевые черви, муравьи и термиты («инженеры экосистемы») заглатывают смесь органического вещества и минеральной почвы, что способствует интегрированию растительных остатков в почву и, таким образом, вносят вклад в агрегации почвенных структур. Выделяемые в виде гранул продукты выделительной деятельности дождевых червей, по мере высыхания, способствуют созданию стабильных органо-минеральных комплексов, характеризующихся уменьшенной скоростью разложения и улучшают стабильность почвы. Почвенная макрофауна также играет важную роль в образовании микроагрегатов. Органические вещества, проходя через кишечник почвенных организмов, тщательно смешиваются, обволакиваются слизью и формируют ядра, необходимые для создания микроагрегатов.

В традиционных системах земледелия наблюдается:

• Прямое воздействие (физическое разрушение почвы в процессе ее обработки и отсутствия покрова из растительных остатков); 
• Косвенное воздействие (уничтожение мест обитания организмов при вспашке) на почвенную макрофауну, ведущее к их исчезновению или снижению численности популяции.

Этим объясняется повышение численности популяций почвенной макрофауны при ПРЗ по сравнению с системами, в которых применяется обычная обработка почвы. Большая биологическая комплексность при ПРЗ означает, что макрофауна частично регулирует разложение микробной биомассы и способствует биогенному формированию агрегатов.

Макроагрегаты и микроагрегаты

Макроагрегаты постепенно соединяются друг с другом временными (то есть, гифами гриба и корнями) и переходными связывающими агентами. Эти временные связывающие агенты (то есть, полисахариды микробного и растительного происхождения) постепенно разлагаются на фрагменты (мелкие частицы органического вещества), которые обволакиваются слизью бактерий и грибов, и затем покрываются глиной. В результате формируются микроагрегаты в макроагрегатах (рис. 7). Поглощение в почвенных микроагрегатах углерода из взвешенного органического вещества является основным механизмом долгосрочного его хранения в почвах сельскохозяйственного значения.

Микроагрегаты в макроагрегатах представляют собой относительно стабильные и уединенные места обитания микроорганизмов. Оборот макроагрегатов при незначительных внешних изменениях в системе ПРЗ происходит достаточно медленно, что позволяет мелким частицам органического углерода устойчиво сохраняться в свободных агрегатах и внутри микроагрегатов. Обычные системы земледелия наоборот заметно изменяют данный процесс.

Оборот агрегатов возникает по мере их формирования. В результате они становятся нестабильными, и легко разрушаются. Воздействия на почву, изменение cухого и влажного сезона года усиливают оборот макроагрегатов. Такой процесс препятствует образованию новых микроагрегатов внутри макроагрегатов и защите мелких частиц органического вещества внутри микроагрегатов.

Обработка почвы нарушает макроагрегаты, в которых содержится углерод, связанный в крупных частицах органического вещества и подвергается атаке микроорганизмов. Это препятствует включению углерода в микроагрегаты в качестве взвешенных частиц органического вещества. Выявленные различия в почвенном органическом углероде между почвами в системах ПРЗ и почвами обычных систем земледелия объясняются тем, что углерод из взвешенных частиц органического вещества защищен в микроагрегатах, и указанные сильные различия вызваны нарушениями при обработке почвы (рис. 8).

Важность анализа полного углеродного цикла

Сохранение углерода в почве и в растительных остатках и выбросы CO2 вследствие деятельности человека следует рассматривать в комплексе, чтобы оценить потенциал смягчения воздействия различных сельскохозяйственных работ на выбросы CO₂ в атмосферу. Для определения роли сельскохозяйственной деятельности, следует провести оценку потребления топлива/энергии и выбросов CO₂ при производстве электроэнергии, удобрений, извести, пестицидов, орошения, производства семян и сельскохозяйственной техники. Наибольший вклад ПРЗ вносит в сокращение выбросов CO₂, связанных с хозяйственной деятельностью за счет сокращения операций по обработке почвы. Тем не менее, если усиленное сохранение углерода будет продолжаться в течение определенного периода времени, то снижение выбросов CO₂ в атмосферу, достигнутое благодаря снижению использования топлива, может продолжаться до бесконечности. Таким образом нулевой посев как альтернативная практика в долгосрочной перспективе может с избытком компенсировать количество углерода, накопленного в почве.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие может также уменьшить выбросы CO₂ за счет экономии оросительной воды. Орошение косвенно способствует выбросам CO₂, поскольку на подачу воды для орошения насосами используется энергия. В отдельных случаях при растворении кальций (Ca) осаждается в почве, образуя CaCO₃, а CO₂ выбрасывается в атмосферу. Использование растительных остатков при нулевых системах обработки почвы повышает содержание влаги, чем позволяет экономить оросительную воду.

Влияние почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия на запасы почвенного органического углерода

Запасы почвенного органического углерода могут быть измерены непосредственно при помощи отбора образцов или могут быть рассчитаны на основе выбросов CO₂. Следующие факторы должны быть приняты во внимание при измерении органического углерода в образцах почвы:

1. Объемная масса (плотность) почвы;
2. Глубина отбора образцов.

Объемная масса может зависеть от технологии обработки почвы. Более высокие показатели объемной массы почвы были зарегистрированы при нулевой обработке. Поэтому, если мы берем образец на одинаковой глубине с полей с применением ПРЗ и традиционной обработки, то большая масса почвы будет отобрана с поля с нулевой обработкой. Это может способствовать завышению массы почвенного органического углерода на участке с нулевой обработкой, что преувеличивает разницу в содержании почвенного органического углерода между двумя системами земледелия. Поэтому, необходимо отобрать равную пробу почвенной массы. При этом верхний слой почвы и более нижние горизонты, содержащие значительное количество почвенного органического углерода не включаются в образец.

Методы обработки почвы могут также повлиять на распределение почвенного органического углерода по горизонтам. При нулевой обработке почвы в поверхностных слоях находится более высокое содержание почвенного органического вещества по сравнению с обычной обработкой. Но при обычной обработке высокое содержание почвенного органического вещества наблюдается в более глубоких слоях, в которых при вспашке заделываются растительные остатки. Поэтому необходимо регулировать глубину отбора проб. С целью изучения возможного различия в распределении корней и корневых остатков при разных методах обработки почвы, необходимо отбирать образцы из разных почвенных профилей.

Изменения содержания углерода в почве, в принципе, можно определить путем проведения непрерывных измерений обмена CO₂ экосистем между поверхностью земли и атмосферой, с условием, что другие поступления или поглощения углерода (например, выращенный урожай зерна) будут правильно учитываться. Измерения показывают, что выбросы CO₂ в основном происходят после вспашки почвы. Тем не менее, в течение сезона при традиционной обработке уровень выброса CO₂ составляет немного больше, чем при ПРЗ.

Чтобы лучше понять влияние различных компонентов ПРЗ (нулевая обработка почвы, оставление на поле растительных остатков и применение севооборота) на запасы почвенного органического углерода, рассмотрим влияние каждого из этих компонентов.

Влияние интенсивности обработки почв на содержание почвенного органического углерода

Влияние сокращения обработки почвы на содержание органического углерода по-прежнему остается не ясным. Результаты исследований по этому вопросу часто противоречат друг другу. Во многих исследованиях, содержание почвенного органического углерода при нулевой обработке значительно отличается от его содержания при обычной и сокращенной обработке. Однако содержание почвенного органического углерода при обычной и сокращенной обработке существенно не отличаются. Механизмы, регулирующие баланс между увеличением или отсутствием сохранения углерода после перехода на нулевую обработку почвы, пока не ясны. Несмотря на то, что необходимо провести дополнительные исследования, можно выделить некоторые важные факторы:

1. Различия в уровне развития корней и корневых остатков: Углерод, поступающий из корней сельскохозяйственных культур может быть очень важным для его сохранения в почве. Нулевая обработка может влиять на большее горизонтальное распределение корней и большую плотность корней вблизи поверхностного слоя;

2. Основное содержание углерода: Эффективность сохранения углерода при нулевой обработке почвы уменьшается, и даже может иметь отрицательный баланс, когда основное содержание органического почвенного углерода повышается. Можно предположить, что старые, истощенные почвы имеют больший потенциал для сохранения углерода по сравнению с молодыми почвами, богатыми углеродом. Почвы, потерявшие органический почвенный углерод вследствие эрозии, имеют высокий потенциал для пополнения органического почвенного углерода при переходе от традиционной обработки к нулевой; 

3. Объемная масса почвы и пористость: Физические свойства почвы позволяют определить, действительно ли применение нулевой обработки позволит повысить сохранение углерода за счет увеличения физической защиты органического почвенного углерода. Поры с диаметром от 15 до 60 мкм, скорее всего, приводят к быстрому разложению углерода;

4. Климат: Климатические влияния на изменения содержания органического углерода в почве при различной агротехнике определяются в следующем порядке: от большего к меньшему: влажный тропический > тропический сухой > умеренно влажный > умеренно сухой.

Следовательно, обработка почвы, как правило, имеет меньшее или отрицательное влияние на содержание почвенного углерода в почвах холодного умеренного климата. Климатические условия, которые влияют на фито- и почвенные процессы, определяющие динамические характеристики почвенного органического вещества, способствуют влиянию агротехники на сохранение органического углерода в почве.

В этом участвуют следующие процессы:

• Разложение почвенного органического вещества после обработки почвы;
• Формирование агрегатов в почве после внесения изменений в систему обработки;
• Повышение урожайности и внесения углерода с внедрением новых систем земледелия.

5. Местоположение, ландшафт и процесс протекания эрозии/отложений: Большинство исследований по изучению сохранения углерода в почве при разных системах земледелия проводилось на небольших экспериментальных участках. В целом, эти участки располагаются на небольших учетных делянках в поле, чтобы свести к минимуму сопутствующие эффекты и искажения результатов. Несмотря на это, не возможно полностью исключить влияние других факторов на изменение состава органического вещества в почве. В этом отношении местоположение и ландшафт участка, а также процесс протекания эрозии или отложений могут сыграть важную роль. На участках, где ранее почва подвергалась эрозии и теряла запасы органического вещества, наблюдается накопление органического углерода. На участках с большим содержанием органического углерода, накопившегося в почве за долгий период, можно наблюдать потери органического углерода после 15 лет применения нулевой обработки;

6. Неоптимальные условия на уровне хозяйства: Исследования в основном осуществляются на участках с идеальными условиями. Но на самом деле хозяйства не всегда имеют идеальные условия. На сельскохозяйственное производство влияет ряд факторов, которые также ограничивают роль фермеров в самостоятельном принятии решений проблем. Вопросы рационального использования природных ресурсов в основном принимаются на уровне системы хозяйствования, и в большинстве случаев приводят к неоптимальному управлению сельскохозяйственными участками, особенно когда производственные ресурсы ограничены. Эти неоптимальные условия могут привести к задержке периода накопления почвенного органического углерода от 2 до 5 лет. 

Влияние севооборота на запасы органического углерода в почве

Увеличение сохранения влаги в связи с внедрением ПРЗ может привести к возможности выращивания дополнительного растительного покрова сразу после уборки урожая основной культуры. Покровные культуры усиливают защиту почв, улучают их плодородие и качество подземных вод, помогают в борьбе с болезнями и вредителями, повышают содержание почвенного органического углерода, укрепляют структуру и водоустойчивость агрегатов почвы. Покровные культуры способствуют связыванию почвенного органического углерода за счет большего оставления растительных остатков и обеспечения растительного покрова в критические периоды. Однако, включение «азотфиксирующих культур» для производства зеленого удобрения возможно только в регионах без длительного сухого периода (рис. 9).

 

ПРЗ может увеличить возможность для интенсификации растениеводства за счет сокращения времени между уборкой урожая первой культуры и посевом второй. Также можно раньше и в более оптимальные сроки завершить посевные работы. Кроме того, можно внедрить новые культуры, поскольку фактический вегетационный период может быть продлен. Это позволит сразу после уборки урожая основной культуры провести посевы и вырастить еще один урожай. Повышение содержания углерода в почве в результате роста урожайности и интенсификации производства может привести к увеличению его сохранения. Влияние севооборотов на сохранение углерода в почве может быть связано с увеличением его возврата через биомассу, или посредством интенсификации производства, или в связи с изменением качества растительных остатков. Поэтому севооборот по сравнению с монокультурой способствует более эффективному сохранению углерода и азота в почве.

Влияние растительных остатков на запасы органического углерода в почве

Растительные остатки являются источником запаса почвенного органического углерода. Разложение растительного материала на простые соединения углерода, их ассимиляция и повторный круговорот (цикл) через микробную биомассу с образованием новых клеток являются основными этапами в процессе формирования гумуса. Соответственно, оставление большего количества растительных остатков способствует повышению содержания почвенного органического углерода.

Скорость разложения растительных остатков зависит не только от количества, но и от их состава (например, растворимой фракции, лигнина, гемической целлюлозы и содержания полифенолов) и свойств почв.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие: совокупное воздействие минимальной обработки почвы, сохранения растительных остатков и севооборота на запасы почвенного органического углерода

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие - это не однокомпонентная технология, а продукт комплексного воздействия всех его трех принципов. Однако применять три компонента не всегда легко и возможно. В засушливых регионах, конкуренция за растительные остатки чрезвычайно высока, потому что их прямое назначение это корм скота. Поэтому фермеры стараются сохранить определенное количество растительных остатков, что не всегда возможно. Однако сокращение обработки почвы без сохранения достаточного количества растительных остатков на поверхности поля может привести к серьезной деградации почвы.

Интенсификация растениеводства и обогащение севооборота разными культурами приведут к дополнительному воздействию на сохранение углерода в почве при системах нулевой обработки. Но, чтобы добиться накопления почвенного органического углерода, необходимо не только поступление углерода от растительных остатков, но и поступление чистого внешнего азота, например, от включения в севооборот азотфиксирующих культур, которые также могут быть использованы в качестве «зеленого удобрения». Обычная обработка почвы может снизить влияние азотфиксирующих культур. Потому что поступление азота может сокращаться при выделении минерального почвенного азота или он может быть потерян в результате выщелачивания (NO_3-) или в газообразной форме (в виде NH₃, испарения или денитрификации) в результате минерализации почвенного органического вещества, вызванного вспашкой. Таким образом, интенсивное возделывание культур посредством исключения пара из севооборота является первым шагом на пути увеличения сохранения углерода в почве. Снижение интенсивности обработки почвы в связи с переходом на нулевую обработку, естественно, способствует интенсивному возделыванию культур.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие по отношению к другим парниковым газам

Углекислый газ (CO₂) является наиболее изученным парниковым газом в исследованиях по ПРЗ. Однако необходимо рассмотреть степень суммарного воздействия всех трех основных биогенных парниковых газов (CO₂, N₂O, и CH₄) на радиационный режим атмосферы, что очень важно для понимания влияния сельского хозяйства на глобальное потепление.

Повышение содержания почвенного органического вещества может ускорить оборот азота, что приведет к большим выбросам N₂O вследствие процесса нитрификации. В результате в почве образуется больше NO_3-, но при формировании участков для анаэробных микроорганизмов сокращается восстановление до N₂O или N₂, что увеличит соотношение N₂O/N₂. Тем не менее, нулевая обработка почвы с сохранением растительных остатков улучшает структуру почвы по сравнению с традиционной обработкой, так как будет образовано меньше участков для анаэробных микроорганизмов. Тем не менее, необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, что в большей степени влияет на выбросы N₂O и NO.

Улучшение аэрации почвы в результате повышения содержания почвенного органического вещества и укрепления агрегатной устойчивости почвы будут препятствовать денитрификации и стимулировать окисление CH₄. Освоение новых земель и преобразование естественных угодий в пашню снижает их способность служить в качестве поглотителя CH₄. Тем не менее, способность почвы поглощать CH₄ является менее важной, чем ее роль в качестве источника N₂O.

Технологии, применяемые фермерами для регулирования содержания органического углерода в почве
Экономический потенциал почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия для сохранения углерода

Технический потенциал ПРЗ для сохранения углерода был описан в предыдущей части. В данном разделе мы обсудим экономический потенциал ПРЗ для сохранения углерода с учетом прибыльности и стоимости, а так же перспективы его широкого внедрения. Как правило, общественная польза от ПРЗ превышает выгоду, получаемую на уровне хозяйства. Следует отметить, что рентабельность ПРЗ колеблется в широких пределах, в зависимости от характеристик систем земледелия, местных рынков, формы хозяйствования и соответствующей агроэкологической политики.

Производственные затраты и использование труда могут возрастать при ПРЗ, по крайней мере, на начальном этапе введения. Но валовая прибыль и окупаемость вложенного труда естественно будут больше, чем при традиционной обработке. Например, сокращение операций в поле и более высокая прибыль благодаря повышению урожайности означает, что ПРЗ имеет высокую относительную прибыльность по сравнению с обычной обработкой почвы в различных системах земледелия, климатических условиях и регионах мира.

Проведено мало исследований по изучению стоимости сохранения углерода. Однако, похоже, что сохранение углерода за счет улучшения системы возделывания сельскохозяйственных культур будет конкурировать по сравнению с сохранением углерода при несельскохозяйственной деятельности (при этом цены на углерод варьируются от 10 до 25 долларов США за тонну).

Углеродные рынки предлагают потенциал дополнительного дохода для фермеров, включая, при определенных условиях и мелких фермеров в развивающихся странах. Механизм чистого развития (МЧР) Киотского протокола обеспечивает основу и стимул для торговли углеродными квотами (рис. 10). МЧР позволяет промышленно-развитым странам в глобальном масштабе инвестировать в сокращение выбросов там, где это обходится дешевле. Хотя цена низкая, но это является еще одним потенциальным источником дохода для фермеров, и может обеспечить дополнительный стимул для принятия технологий, обеспечивающих сохранение углерода. Посредствам сокращения выбросов CO₂ в своих хозяйствах, фермеры не только будут работать более устойчиво, но и получат дополнительный доход.

Технологии, применяемые фермерами для регулирования содержания органического углерода в почве: помимо прямого стимулирования

Рычаг регулирования большей части почвенного углерода находится в руках фермеров, животноводов и лесоустроительных организаций, чьи решения определяются несколькими целями. Главный потенциал ПРЗ в качестве стратегии смягчения последствий изменения климата основан на получении пользы для сельского хозяйства и экономики. Как было описано ранее, дополнительные частные выгоды фермеров от принятия ПРЗ, как правило, значительные, даже без рыночных выплат или выплаты субсидий за сохранение углерода. Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие обладает беспроигрышным сочетанием - оно является эффективной технологией, как для почв, так и для рационального использования водных ресурсов, что также может в большинстве случаев повысить урожайность. Например, более высокие урожаи являются результатом лучшего качества почвы, особенно ее верхних слоев. Увеличение агрегации и содержания органического вещества почвы в верхних слоях приводит к повышению эффективности использования воды и микроэлементов, а также к сокращению эрозии. Повышение рентабельности производства может быть основным движущим фактором для фермеров в их решении о внедрении ПРЗ и стратегии сохранения углерода в почве, и, таким образом, выходит за рамки неэффективных и дорогостоящих прямых стимулов.

Ограничения и пути для внедрения ПРЗ

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие обеспечивает получение как личных, так и общественных выгод, а также обеспечивает устойчивую урожайность и эффективное использование средств производства. Поскольку очевидно, что ПРЗ обладает множеством преимуществ, то правомерно задаться вопросом, почему темпы внедрения недостаточно быстрые. Есть несколько причин, которые заслуживают обсуждения:

1. Конкуренция на уровне фермерских хозяйств за растительные остатки, может стать серьезным препятствием на пути внедрения ПРЗ. Это особенно сильно наблюдается в условиях богарных систем земледелия и полузасушливых регионах, где имеется высокий спрос на использование растительных остатков для других целей, помимо их оставления в поле (например, в качестве корма для животных);
2. Мелкие хозяйства весьма разнообразны и имеют свои специфические особенности, что тормозит процесс принятия новых технологий для повышения продуктивности;
3. Многие бедные мелкие землевладельцы не желают рисковать и избегают введения новых технологий, которые, с их точки зрения, могут представлять дополнительный риск для их продовольственной безопасности;
4. У мелких фермерских хозяйств недостаточно доступа к финансовым ресурсам для покупки нового оборудования или приобретения таких материалов, как гербициды;
5. Когда фермеры полагаются на труд членов своей семьи или на наемный труд, часто работники не понимают сути ПРЗ, даже если сам фермер дает хорошую оценку принципам и практике ПРЗ;
6. Иногда сами фермеры не имеют образования и, таким образом, они исключены из потоков знаний, предоставляющих информацию о ПРЗ;
7. Малый масштаб хозяйств может быть препятствием для эффективного использования видов техники, применяемых в ПРЗ.

Маловероятно, что сложные, многокомпонентные технологии, такие как ПРЗ, могут быть успешно распространены при помощи традиционных методов исследований и внедрения достижений. Для внедрения ПРЗ в малых хозяйствах требуется разработка инновационных систем для адаптации технологий к местным условиям.

Для этой цели в настоящее время создаются региональные центры обучения в различных агросистемах и агроэкологических зонах. В таких центрах организовывается интенсивный контакт и обмен информацией между различными партнерами в процессе научных исследований и внедрения достижений. Благодаря исследованиям и подготовке кадров, созданы региональные сети ПРЗ для содействия и стимулирования научных исследований инновационных систем и технологий для внедрения полученных достижений. Центры напрямую связаны со стратегическими отделами науки, действующими при международных центрах и национальных научно-исследовательских институтах для того, чтобы провести обобщение и достичь глобального понимания ПРЗ, его адаптацию к различным условиям, системам земледелия и условиям фермеров.

Влияние чередования обработки почвы на сохранение углерода

Поскольку почвенный органический углерод динамически реагирует на агротехнику, для содействия сохранению углерода в почве, предполагается постоянное поддержание практик, способствующих накоплению органического вещества. Поэтому, после перехода на нулевую обработку лучше не возвращаться к обычной обработке почвы. Тем не менее, иногда системы обработки почвы чередуют по различным причинам, в том числе и для оптимизации урожайности, борьбы с вредителями и болезнями. Испытаний в поле не проводилось, но имитационные модели показывают, что возвращение с нулевой обработки на обычную в системе монокультуры снижает содержание углерода в почве. Каждая обработка почвы приводит к потере почвенного углерода в связи с увеличением выбросов CO2 после обработки. В долгосрочной перспективе, каждая операция по обработке полей, которые были под нулевыми технологиями, по-разному влияет на содержание органического углерода в зависимости от свойств и характеристик почв.

Выводы и перспективы на будущее

В настоящее время состояние почвы посевных площадей в мире сильно ухудшилось. Поэтому, стабильное получение урожаев сельскохозяйственных культур требует внесения больших объемов удобрений. Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие является системой, которая в краткосрочной перспективе максимально увеличит производство продукции растениеводства, а также обеспечит потенциальную долгосрочную устойчивость. Также еще предстоит найти решение важных пробелов, если ПРЗ будет использоваться в качестве стратегии сохранения углерода в почве.

Информация о влиянии обработки почвы и севооборота на хранение углерода по развивающимся странам, тропическим и субтропическим регионам отсутствует. Большинство исследований проводилось на уровне экспериментального участка. Поэтому необходимо провести комплексные исследования на уровне фермерских хозяйств, включая исследование ограничений агро-экосистем, а также бюджетов общего сохранения углерода на региональном и глобальном уровнях.

Хотя сохранение углерода сомнительно в некоторых районах и в некоторых системах земледелия, ПРЗ остается важной технологией, улучшающей почвенные процессы, сохраняет почвы от эрозии, а также снижает производственные затраты, связанные с обработкой. Глобальная продовольственная безопасность и сохранение окружающей среды, а также повышение уровня жизни путем увеличения дохода фермерских хозяйств должны стать главными целями устойчивой системы ведения сельского хозяйства.

Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие: Эффективность использования азота и оптимизация применения азотных удобрений в почвозащитном и ресурсосберегающем земледелии

Эффективность использования азота и оптимизация применения азотных удобрений в почвозащитном и ресурсосберегающем земледелии

Введение

Численность населения мира растет и параллельно возрастает потребность в продовольствии. При этом меняется режим питания, направленный на большее потребление мяса. Соответственно, увеличение производства мяса требует роста производства кормов. Поскольку основу рационов кормления сельскохозяйственных животных составляют зерновые, то необходимо к 2050 году удвоить мировое производство зерна, для того чтобы удовлетворить потребности всевозрастающего населения и изменения в режиме питания. Известно, что увеличение производства растениеводческой продукции требует внесения минеральных удобрений. За последние 50 лет внесение азотных удобрений увеличилось в 20 раз и, согласно прогнозам, его применение к 2030 году увеличится до 180 млн. тонн. Кроме того, цены на азотные удобрения за последнее десятилетие выросли более чем в 2,5 раза.

Применение и эффективность азотных удобрений сильно различаются в зависимости от типа среды:

• Для условий, требующих внесения больших норм минеральных удобрений, эффективный и экологически чистый подход к их использованию имеет важное значение для предотвращения чрезмерного внесения азота. Избыток азота может способствовать выщелачиванию NO_3-N, что приводит к эвтрофикации (чрезмерному росту или загниванию растений из-за избытка содержания элементов питания в воде) водоемов и разрушению водных экосистем. Чрезмерное применение азотных удобрений также увеличивает экологически вредные выбросы NO_x/N₂O. В мире в среднем эффективность использования азота зерновыми культурами составляет примерно 33%, что свидетельствует о значительных возможностях для ее повышения;
• В малопродуктивных (низкоурожайных) богарных условиях, где удобрения применяются в незначительном объеме, и урожайность зерна остается низкой, следует сосредоточить внимание на повышении урожайности и качества зерна посредством умеренного и эффективного применения азотных удобрений, чтобы избежать его чрезмерного использования. Низкое качество зерна определяется в основном содержанием азота в зерне. Чем выше содержание азота, тем выше будет прибыль фермеров, при условии, что они получают вознаграждение за более высокое качество зерна. Но это происходит не всегда;
• Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие (ПРЗ) сочетает в себе принципы агротехники, направленные на повышение эффективности использования воды, снижение эрозии почвы и экономии ресурсов, таких как время, рабочая сила и топливо.

ПРЗ основано на трех ключевых компонентах:

1. Минимальное повреждение структуры почвы (нулевая обработка почвы);
2. Экономически приемлемые севообороты;
3. Частичное сохранение растительных остатков для создания почвенного покрова.

Было доказано, что ПРЗ меняет физические, химические и биологические свойства почвы по сравнению с традиционными способами, основанными на вспашке и, таким образом, влияет на круговорот (цикл) азота (см. также раздел «Почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие: Как улучшить качество почв для устойчивых систем производства?»). Поэтому, вполне вероятно, что применение азотных удобрений будет оказывать другое воздействие на сельскохозяйственные культуры, выращиваемые в условиях ПРЗ. Следовательно, режим применения и нормы внесения азотных удобрений должны быть скорректированы при ведении ПРЗ.

Круговорот (цикл) азота

Количество и формы азота постоянно меняются из-за химических, физических и биологических процессов, происходящих в почве. Формы доступного органического азота включают в себя аминокислоты, белки и аминосахара. Виды неорганического азота - это абсорбируемый растениями азот, образующий аммоний (NH₄₊) и нитрат (NO_3-) и токсичная для растений форма, образующая аммиак (NH₃) и нитрит (NO_2-). Азот в почвенном растворе преимущественно присутствует в виде NO_3-N, который с трудом адсорбируется и, следовательно, более подвержен выщелачиванию. Азот также присутствует в виде NH_4-N, который в значительной степени связан с частицами почвы.

Азот может поступать в почву из атмосферы при его сухом и мокром осаждении, посредством органических и минеральных удобрений и фиксации азота микроорганизмами. При разложении растительных остатков, азот поступает в запасы органического азота. Содержание азота в почве может уменьшаться в результате улетучивания аммиака (NH₃), где газообразный NH_3-N поступает в атмосферу и происходит выброс продуктов денитрификации (N₂, N₂O и NO). В условиях чрезмерного увлажнения почвы, минеральный азот (в частности, NO₃) может вымываться за пределы досягаемости корневых систем (выщелачивание, движение NO₃ вниз при инфильтрации воды и движении воды через почву, рис. 11). Минеральный азот также может поглощаться сельскохозяйственными культурами.

Цикл азота в почве сильно зависит от минерализации, трансформации органического азота в органическое вещество и навоза в неорганический азот, в конечном счете, на формирование аммония в результате деятельности грибов и бактерий (рис. 11). Процессы минерализации усиливаются в теплых и влажных климатических условиях, особенно в хорошо аэрируемых почвах с легкой механической структурой. 

Иммобилизация означает удаление неорганического азота из раствора почвы микроорганизмами. Они разрушают растительные остатки с высоким соотношением углерода и азота и удовлетворяют свои энергетические потребности за счет использования углеродных компонентов. Тем не менее, микроорганизмы также используют азот, содержащийся в растительных остатках и удобрениях, образуя белки для своего собственного роста. При соотношении углерода к азоту в растительных остатках > 30 образуются легко разлагаемые соединения углерода, что приводит к обширной иммобилизации азота.

Нитрификация – это микробиологический процесс, происходящий в почве, в ходе которого нитрифицирующие бактерии и нитробактерии превращают NH_4-N в NO_3-N. Денитрификация – это процесс, обратный биологической фиксации азота, в ходе которого ионные оксиды азота (NO₃ и NO_2-) постепенно восстанавливаются ферментами редуктазы в газообразные оксиды (оксид азота, NO, закись азота, NO-и NO-), и N. Большие дозы азота, вносимые в почву посредством минеральных удобрений оказывают сильное влияние на его динамику в сельскохозяйственных системах. Поступление азота в почву повышает продуктивность растений и накопление биомассы в краткосрочной перспективе. Однако увеличение объемов почвенного органического углерода может ускорить динамику азота и, таким образом, увеличить выбросы N₂O – парникового газа.

Процессы усвоения, ассимиляции и превращения азота до конечного накопления в зерне можно разделить на две основные стадии его использования в жизненном цикле сельскохозяйственных культур:

• Вегетативная стадия: азот поглощается полностью в неорганической форме корнями растений. После попадания азота в растение начинается его вегетативная стадия использования. На этой стадии молодые листья и корни являются объектами, в которых происходит поглощение и синтез неорганического азота;
• Репродуктивная фаза: азот, накопленный в побегах, листьях и корнях вновь мобилизуется путем гидролиза белка. Затем аминокислоты реассимилируются в зерно. Содержание белка в период налива зерна может быть увеличено путем внесения азотных удобрений в сочетании с поддержанием оптимального уровня влажности почвы, что в засушливых зонах может потребовать дополнительного орошения.
  Большая доля реассимиляции азота происходит во время старения растений. Тем не менее, этот вид преобразования азота может также возникать перед цветением для синтеза новых белков в развивающихся органах, что подчеркивает простоту разделения цикла азота в растении только на две фазы.

Влияние изменений свойств почв и процессов, происходящих в системах ПРЗ на цикл азота

Место расположения пожнивных остатков зависит от системы обработки почвы. При традиционной обработке растительные остатки заделываются в почву, а при ПРЗ они оставляются на поверхности поля. В итоге растительные остатки по-разному влияют на химические, физические и биологические процессы, происходящие в почве. Как правило, заделка растительных остатков при вспашке ускоряет минерализацию углерода и азота. Это способствует улучшению доступа почвенных микроорганизмов к органическому веществу почвы в макроагрегатах. Если растительные остатки остаются на поверхности почвы, то они меньше подвергаются разложению под воздействием бактерий. В настоящее время обсуждается также воздействие ПРЗ на процессы, которые вызывают потерю азота после внесения удобрений:

• Иммобилизация азота: Растительные остатки с низким содержанием азота (C/N>30) способствуют временной иммобилизации его в чистом виде, после чего рост бактерий ограничивается. Было установлено, что системы ПРЗ временно повышают иммобилизацию азота в связи с медленным разложением растительных остатков. Краткосрочная иммобилизация азота может быть компенсирована
  за счет внесения высоких норм азотных удобрений, особенно в первые годы перехода к ПРЗ;
• Согласно расчетам, средние глобальные потери азота за счет улетучивания, составляют 7% для развитых и 18% для развивающихся стран. По оценкам, системы ПРЗ имеют более высокие потери азота за счет увеличения интенсивности улетучивания NH_3-N и недостаточного внесения удобрений;
• Сохранение растительных остатков и обработка почвы влияют на процессы, которые приводят как к положительным, так и к отрицательным воздействиям на процесс денитрификации. С одной стороны, сохранение растительных остатков на поверхности поля при ПРЗ существенно влияет на сохранение влаги и органического вещества в почве. Оно также способствует выбросам N₂O. С другой стороны, сохранение растительных остатков приводит к снижению температуры и улучшению структуры почвы и, таким образом, улучшает аэрацию и приводит к сокращению анаэробных участков. Это также может снизить выбросы N₂O;
• Почвы полей, где практикуется нулевая обработка или возделывание культур на постоянных гребнях в сочетании с сохранением растительных остатков на поверхности поля, обладают улучшенной устойчивостью агрегатов, что приводит к повышению скорости инфильтрации. Однако это может увеличить потери азота из-за выщелачивания, что также может расти из-за увеличения числа биопор, сформированных червями. С другой стороны, сокращение скорости нитрификации при нулевой обработке почвы в период сохранения пара может снизить возможность выщелачивания NO₃.

Судя по всему, ключевым элементом в этих процессах является органическая биомасса почвы. В долгосрочной перспективе, ПРЗ способствует повышению содержания почвенного органического вещества и, следовательно, почвенной микробной биомассы, которая играет важную роль в минерализации, мобилизации и иммобилизации питательных элементов. Они также становятся источниками и местами скопления питательных элементов в почве. Тем не менее, необходимо искать решение проблемы низкой минерализации азота в системах ПРЗ. Для этого можно рассмотреть два подхода с сохранением растительных остатков в поле, которые необходимо изучать на уровне производственных систем:

• Использование более мелко измельченных или размоченных растительных остатков, которые будут разлагаться быстрее. Потому что микробные популяции могут колонизировать и разлагать солому быстрее, если увеличить площадь поверхности растительных остатков;
• Регулирование объема оставляемых растительных остатков.

Эффективность использования азота (ЭИА)
Определение

Cуществуют различные определения и пути расчета эффективности использования азота и его компонентов. Одно из определений гласит, что эффективность использования азота равна соотношению урожайности зерна на единицу имеющегося азота в почве, в том числе имеющихся в наличии азотных остатков в почве и азотных удобрений:

 

Однако не весь имеющийся в составе растений азот поступает от азотных удобрений. Эффективность использования азота является функцией структуры почвы, климатических условий, взаимосвязей между почвой и бактериальными процессами, природными источниками органического и неорганического азота, которые не включены в приведенную выше формулу. Мы рекомендуем обратиться к публикации Грахманна и др. (Grahmann etal., 2013), чтобы ознакомиться с обобщением новых способов определения эффективности использования азота.

Методы определения эффективности использования азота

Исследования физиологии целого растения в сочетании с экспериментами по применению меченого (изотопного) азота (15N), преимущественно выполняемые в полевых условиях, могут быть использованы для более точного определения ключевых компонентов эффективности использования азота и генетической изменчивости динамики его распределения в растениях. Как упоминалось ранее, несколько процессов, таких как потери, не входят в формулу расчета эффективности использования азота. Наиболее важные потери азота в системах ПРЗ - это потери из-за выщелачивания нитратов и из-за его улетучивания:

• Выщелачивание нитратов в почвах можно измерить с помощью ловушек - картриджей на ионообменной смоле, которые определяют совокупные потери из-за выщелачивания в масштабе участка. Картриджи на ионообменной смоле устанавливаются ниже зоны укоренения, для чего выкапывается траншея рядом с участком и изучается горизонтальный доступ к нетронутой части участка на глубине приблизительно 50 см. Картриджи со смолой остаются на этом месте в течение всего сезона возделывания культуры и могут показать полную картину накопления и потери нитратов по всему почвенному профилю. После уборки урожая, картриджи вытаскивают из почвы и анализируют содержание ионов;
• Потери азота путем улетучивания газообразных соединений могут быть измерены в системах закрытых шкафов. Собранные газы могут быть проанализированы непосредственно в поле при помощи портативных устройств или извлечены в шприц, а затем введены в пробирки, которые плотно закрываются резиновой пробкой. Далее содержимое этих пробирок анализируют на концентрацию газа с
  помощью методов хроматографии.

Имитационные модели являются перспективными инструментами для определения наилучшей агротехники, позволяющей эффективно использовать азот для лучшего поглощения элементов питания и снижения его потери. Такие модели позволяют снизить число полевых экспериментов. Имитационные модели обычно разрабатываются на основе данных полевых опытов. После калибровки модель может быть использована для других климатических, агротехнических и экологических условий. Соответствующая модель должна включать в себя данные о почве, воде и климатических условиях, чтобы правильно оценить процесс минерализации, иммобилизации, цикла (круговорота) азота и выявить альтернативы для сокращения его потерь в результате выщелачивания, в виде газообразных выбросов или поверхностного стока. Каждая модель должна быть настроена и откалибрована для конкретных условий, системы земледелия и севооборотов. Для успешного моделирования управлением азота главным условием является наличие информации о типе почвы, сорте культуры, остаточном количестве NO3-N в почве и других параметрах, таких как содержание воды, органического вещества, рН или емкость катионного обмена (емкость поглощения почв) и агротехника возделывания. В основном для оценки системы прямого посева используются две модели - PASTIS (Prediction of Agricultural Solute Transformations In Soils – Прогнозирование преобразований в водной среде сельскохозяйственных почв) и NDICEA (Nitrogen Dynamics In Crop rotations in Ecological Agriculture – Динамика азота в севооборотах в экологическом сельском хозяйстве).

Эффективность использования азота в почвозащитном и ресурсосберегающем земледелии

Современные подходы

В настоящее время имеются результаты только нескольких недавно проведенных исследований эффективности использования азота и управления применением азотных удобрений.При ПРЗ влияние азотных удобрений на рост и развитие культур можно заметить в последующих вегетационных сезонах в течение нескольких лет. Это происходит именно тогда, когда удобрение применяется в сочетании с сохранением растительных остатков, что может способствовать повышению временной иммобилизации азота из удобрений и его выделению в последующие годы. Результаты исследований по изучению влияния севооборотов в системах ПРЗ на эффективность использования азота являются противоречивыми. Однако в большинстве исследований были отмечены негативные воздействия применения монокультуры на урожайность и на эффективность использования азота, и положительное влияние включения бобовых культур в севооборот.

Регулирование применения азотных удобрений при ПРЗ для повышения эффективности использования азота

Управление использованием азотных удобрений можно разделить на четыре составляющих: нормы, типы, сроки и способы их внесения.

Нормы внесения азота

Количество вносимого азотного удобрения является самым главным фактором, определяющим урожайность культур. Следующие по важности факторы - это источник азота, сроки и способы внесения удобрений. Оптимальные нормы азотных удобрений можно рассчитать с помощью определения содержания азота в образцах почвы, взятых перед посевом или с применением сенсорных датчиков. Обычно нормы колеблются в зависимости от интенсивности возделывания культур и потенциала урожая в ПРЗ. При определении оптимальных норм внесения азота учитывают:

• Потенциал производительности (уровень плодородия) почвы;
• Предшествующие культуры;
• Долю стоимости азотных удобрений в себестоимости урожая;
• Сведение к минимуму экологических потерь.

Необходимо избегать чрезмерного применения азота. Симптомами избыточного внесения являются снижение урожайности культур, потому что они становятся более восприимчивыми к болезням и вредителям, а также склонными к полеганию. При этом также растения начинают снижать ремобилизацию азота в зерно и продолжают свой вегетативный рост.

Управление содержанием азота в почве и его внесением с применением сенсорных датчиков зависит от комплексного применения всех элементом ПРЗ, включая нулевую обработку почвы, сохранение растительных остатков, севооборот и посев улучшенных сортов. При этом применяются современные технологии, такие как GPS, дистанционное зондирование и ГИС (GIS) для регулировки внесения удобрений в зависимости от потребности растения на основе мониторинга роста с целью повышения эффективности использования азота и урожайности. Для мониторинга роста и развития сельскохозяйственных культур в течение сезона могут применяться датчики NDVI (стандартизованный индекс различий растительного покрова), такие как GreenSeeker®- карманный датчик (производства компании NTech Industries, Inc., Ukiah, Калифорния, США). Сравнение данных датчика NDVI на посеве культуры на хорошо удобренном участке и датчика на обычном посеве может предоставить точную информацию о потребности культуры в азоте, что помогает снизить затраты на удобрения и сократить потери.

Тип удобрения

Азотные удобрения отличаются по содержанию азота и по форме, в которой они вносятся и усваиваются сельскохозяйственными культурами. Выбор удобрений для внесения под культуры зависит от рН почвы, содержания влаги, количества доступного растениям азота в почве, доступности азота из удобрений, наличия оборудования для внесения удобрений и затрат на удобрения на 1 га. Не существует единой универсальной рекомендации по наилучшему виду и количеству удобрений для каждой культуры. Фермеры должны определить, какой вид азотных удобрений приемлем для конкретных условий, чтобы свести к минимуму потери из-за улетучивания и для преодоления последствий иммобилизации азота.

Мочевина является очень распространенным азотным удобрением, но она может вызвать большие потери азота при ПРЗ из-за повышенной активности уреазы растительных остатков. Поэтому в ПРЗ наиболее эффективным является внекорневая подкормка растений мочевиной. При этом растения опрыскиваются раствором удобрения, а питательные элементы поступают в растения через листья и стебли. Внекорневая подкормка зерновых в обычных системах земледелия до или после цветения эффективно способствует увеличению содержания белка в зерне и, следовательно, повышению хлебопекарных качеств. К сожалению, публикаций о влиянии внекорневой подкормки азота при ПРЗ очень мало.

Навоз имеется в хозяйствах и может быть альтернативным источником для сокращения затрат на минеральные азотные удобрения. С другой стороны, внесение навоза позволит получить пользу от сельскохозяйственных отходов. Однако для рекомендации использования навоза при ПРЗ необходимо проводить дальнейшие исследования с целью оптимизации методов и сроков внесения с учетом сокращения потерь азота из-за улетучивания.

Сроки внесения азота

Потери азота могут быть сокращены при помощи улучшения синхронизации времени внесения удобрений с периодами его интенсивного поглощения растениями. Если минеральное
азотное удобрение применяется в пик интенсивного поглощения азота, иммобилизация и потери системы почва-растение могут быть уменьшены и, следовательно, эффективность использования азота может быть увеличена. В течение долгого времени предполагалось, что внесение азота в начале сезона оптимизирует урожайность зерновых,
а внесение азота в конце сезона обеспечивает и оптимизирует концентрацию белка в зерне. Большинство исследований, по которым имеются отчеты или публикации, проводилось в традиционных системах с применением обработки почвы. Тем не менее, сроки и нормы внесения азотных удобрений существенно влияют на урожайность и эффективность использования азота, а также таких компонентов, как его потери.

Кроме того, полив может способствовать эффективному поглощению азотных удобрений в конце сезона. Растительные остатки сохраняют влажность почвы, чем могут способствовать улучшению распределения удобрений в почве и усвоению азота растениями, с учетом того, что растительные остатки не иммобилизуют азот. Таким образом, эффективность использования азотных удобрений должна повышаться при их внесении в периоды наибольшего потребления азота растениями. При этом внесение азота должно сокращаться в ранние фазы развития или перед посевом. Тем не менее, практически отсутствуют публикации об исследованиях, касающихся оптимизации сроков внесения азотных удобрений при ПРЗ.

 Методы внесения удобрений

Зерновые злаковые культуры усваивают до 90% азота их содержания до фазы стеблевания и развития флагового листа. Оставляемые на поверхности поля растительные остатки, содержащие углерод и азот в соотношении C/N >30 в процессе их разложения микроорганизмами связывают азот удобрений, внесенных разбросным способом. В то же время,
заделка минеральных удобрений в почву позволяет избежать прямого контакта азотных удобрений с растительными остатками и может быть полезной для снижения вероятности улетучивания, денитрификации и иммобилизации. Поэтому заделка азота в почву при ПРЗ является эффективным методом для повышения использования удобрений по сравнению
с разбрасыванием по поверхности поля. Исходя из этого, информация о снижении эффективности использования азота при ПРЗ, о котором упоминается в некоторых научных публикациях, может быть связана с поверхностным внесением азотных удобрений.

Существует нехватка подходящего и недорогого оборудования для внесения удобрений в почву (для корневой подкормки) при ПРЗ. Такие орудия могли бы использоваться фермерами-
владельцами малых и средних по размеру хозяйств для надлежащего и эффективного применения азотного удобрения. Ученые и местные производители сельхозмашин
должны объединить свои усилия для разработки необходимых механизмов и продвигать новые методы внесения азотных удобрений. Неглубокое внесение навоза крупного рогатого
скота и свиней в почву при помощи диска, чизель-культиватора, воздушного или инжекторного опрыскивания под давлением, может уменьшить улетучиваемость NH3 и сократить потери питательных веществ со стоками, но способствовать потенциальному увеличению выброса N2O.

Пищевая ценность сельскохозяйственной продукции 

Большинство научных исследований направлено на поиск путей повышения урожайности, но при этом пищевая ценность зачастую не охватывается. Качество зерна напрямую зависит от содержания в нем белка, что особенно важно для мелких фермеров, которые выращивают зерновые культуры на продажу и получают вознаграждение за качество. Существует ряд факторов, которые могут повлиять на содержание белка в зерне:

• Содержание белка в зерне может быть увеличено путем внесения азотных удобрений выше норм, необходимых для получения высоких урожаев;
  
  
• Метод обработки почвы может повлиять на содержание белка и качество зерна пшеницы, потому что он влияет на содержание влаги в почве, снижает доступность питательных веществ, испарение и температуру;
  
  
• Ожидается, что диверсификация севооборотов путем включения бобовых позволит получать более высокие урожаи и повысить содержание белка в зерне независимо от уровня плодородия почв, особенно в тех условиях, где фермеры мало используют удобрения.

Были проведены только несколько достаточно непоследовательных исследований о воздействии ПРЗ на качество зерна пшеницы. В публикациях были отмечены контрастные сопоставления между воздействием ПРЗ и обычными методами обработки почвы на содержание белка и другие качественные показатели зерна. Объяснение изменения в качестве зерна пшеницы между двумя системами требует тщательного анализа цикла азота, особое влияние на который оказывает управление оставлением растительных остатков.

Задержка в формировании химических соединений и стабилизация поступления азота из удобрений

Для улучшения эффективности использования азота были предложены синтетические добавки к удобрениям, такие как ингибиторы уреазы или ингибиторы нитрификации и удобрения с медленным высвобождением азота. Ингибиторы уреазы могут потен циально снизить потери азота из-за улетучивания путем предотвращения разложения мочевины и повышения вероятности того, что удобрения будут впитываться в почву сразу после дождя. Следует снова отметить, что большинство исследований были проведены в условиях традиционной обработки почвы, но публикации по исследованиям в условиях ПРЗ отсутствуют.

Выводы и задачи, которые предстоит решить в будущем

Имеющиеся данные показывают, что взаимодействие между компонентами ПРЗ, их влиянием на урожайность и параметры качества урожая являются сложными и часто характерными
для конкретных условий местности. На основе имеющихся данных можно сделать вывод о том, что ПРЗ имеет более низкие показатели по эффективности использования азота, чем обычные системы. Это происходит в значительной степени из-за иммобилизации азота растительными остатками и увеличения норм вносимых минеральных удобрений при ПРЗ. Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы подтвердить эти результаты в разных условиях и системах земледелия. Долгосрочные полевые эксперименты позволят лучше понять влияние агротехники на основе ПРЗ на цикл азота. Существует также очевидная необходимость в прикладных исследованиях о том, как приспособить управление внесением азотных удобрений и технику, чтобы подготовить рекомендации для фермеров. Рекомендации будут направлены на конкретные участки и хозяйства, и будут зависеть от абиотических факторов, таких как климат, тип почвы, количество осадков и температуры, а также практикующей агротехники, такой как севообороты, интенсивность обработки почвы (нулевая, поверхностная, минимальная), количество растительных остатков, оставляемых в поле и, наконец, цели фермера по производству высоких урожаев сельскохозяйственных культур или повышению качества зерновых.

Практическое руководство для сравнения различных технологий возделывания сельскохозяйственных культур

Определение содержания влаги в почве

Содержание влаги в почве является вспомогательным и необходимым показателем при проведении различных анализов почвы. Содержание влаги в почве традиционно выражается соотношением массы воды, присутствующей в образце к массе образца после его сушки до постоянного веса, или как объем воды, присутствующей в общем объеме образца. Расчет содержания почвенной влаги на основе объема требует правильного измерения объемной плотности (Gardner, 1986). Учитывая пространственную и временную изменчивость содержания воды в почве, рекомендуется провести измерения в нескольких повторениях. Объемная плотность почвы является более стабильной характеристикой, чем содержание воды, так что будет достаточно ее определить только один раз перед началом измерений. Следует учитывать тот факт, что агротехнические приемы могут привести к изменению объемной плотности почвы и, как правило, она является пространственно изменчивой. В идеале, объемная плотность должна определяться для каждого опытного участка посредством проведения измерений в нескольких повторениях. Существует несколько методов определения содержания влаги в почве. Мы сосредоточимся на самом простом методе, для которого не требуется специальное оборудование. Это гравиметрическое определение содержания влаги в почве на основе отбора образцов.

Материалы и оборудование

• Пробоотборник (почвенный бур);
• Моторное масло, если почва вязкая;
• Сушильный шкаф;
• Весы;
• Металлические бюксы (алюминиевые стаканчики);
• Кусок ткани;
• Палка/стержень;
• Полевой журнал и карандаш.

Ход работы

Отбор образцов в поле

Отбор образцов в поле проводится с использованием почвенного пробоотборника, который может быть либо простым цельным почвенным буром или может состоять из конической трубки и скользящего груза, который используется в качестве молотка. Выбор пробоотборника зависит от почвенных условий, особенно влажности и глубины отбора образца. Если почва твердая и сухая, потребуется пробоотборник со скользящим молотком. В данном руководстве будет описано использование обоих типов пробоотборников. Глубина отбора образцов будет зависеть от целей исследования, изучаемой почвы и других практических ограничений. В примерах, описанных в данном руководстве, образцы отбирают на глубине 60 см через каждые 15 см. Но для каждого исследования следует определить соответствующую глубину отбора проб и интервалы между ними. При подготовке следует отмечать на карте эксперимента образец почвы, который должен быть помещен в каждый из пронумерованных металлических бюксов, которые следует расположить в том порядке, в котором будете отбирать образцы почвы.

Использование пробоотборника со скользящим грузом (молотком)

Наконечник пробоотборника (бура) смазывают моторным маслом и внедряют в почву.
Молоток вставляется в пробоотборник (бур) и используется для забивания трубки в почву.

После того, как наконечник трубки вошел на требуемую глубину для взятия образца, молоток удаляют, а затем используют в качестве ручки путем вставления выступов в начале трубки в соответствующие пазы в молотке. Затем его поворачивают один раз по часовой стрелке, чтобы ослабить пробоотборник (бур). Не следует поворачивать пробоотборник против часовой стрелки, так как образец почвы выпадет. После этого пробоотборник извлекается из почвы. Трубка переворачивается в обратное положение и образец почвы удаляется. Если образец не выдвигается, вы можете воспользоваться палкой, чтобы протолкнуть его.

Положите каждый образец в промаркированный металлический бюкс и тщательно закройте, чтобы избежать испарения воды (рис. 12). Когда нужно получить из одного места несколько образцов, можно рассмотреть возможность их отбора за один раз с разной глубины. В этом случае следует очистить содержимое трубки на кусок ткани. Положите трубку рядом с образцом почвы и используйте ее в качестве линейки, чтобы разделить образец на необходимые глубины отбора проб (рис. 13).

Использование обычного почвенного пробоотборника

Обычные пробоотборники можно использовать для отбора образцов из небольших глубин, когда почва не твердая. Эти буры проще в использовании и дешевле, но быстро выходят из строя (ломаются) в тяжелых почвах. Чтобы использовать этот тип пробоотборника, сначала смажьте наконечник моторным маслом, так как это позволит избежать прилипания грязи к пробоотборнику (буру). Затем внедрите пробоотборник в почву на необходимую глубину отбора образцов, поверните пробоотборник один раз по часовой стрелке и извлеките его. Выньте цилиндр с почвой и поместите его в промаркированный металлический бюкс и запишите какой образец находится в каждом бюксе (рис. 14 и 15).
Повторите ту же процедуру для следующих образцов. При каждом отборе смазывайте наконечник пробоотборника моторным маслом.

Измерение

Для каждого из образцов почвы, полученных либо при помощи обычного пробоотборника, либо пробоотборника со скользящим грузом, который используется в качестве молотка,взвесьте влажный образец в соответствующем металлическом бюксе (при этом необходимо узнать вес бюкса перед добавлением образцов почвы) и запишите данные. Снимите крышку бюкса и высушите образец в сушильном шкафу в течение 24 ч при температуре 105°С. После сушки взвесьте образец в бюксе, чтобы получить сухой вес и запишите данные.

4. Расчеты

5. Практический пример

Образец почвы был отобран в металлический бюкс весом 30,00 г. Вес влажного образца
вместе с бюксом составил 180,45 г, сухой вес с бюксом - 147,62 г.

Объемная плотность почвы 1,20 г/см3 была определена следующим образом:

Гравиметрическое содержание воды в образце составляет:

7. Приложение

Практическое руководство для сравнения различных технологий возделывания сельскохозяйственных культур

Определение распределения почвенных агрегатов методом сухого просеивания

С физической точки зрения, почва, как правило, состоит из почвенных агрегатов (заполненных пространств) или вторичных единиц почвы и пор (незаполненных пространств) (Soil Science Society of America (Общество почвоведов Америки), 1997; Lal and Shukla, 2004). Сухое просеивание дает дополнительную возможность определить распределение агрегатов почвы по размеру, которая может быть выражена как средний размер диаметра фракций (средневзвешенний, среднестатистический показатель) (van Bavel, 1949) или как процентное соотношение агрегатов. Агрегаты могут быть разделены на большие макроагрегаты (>2 мм), мелкие макроагрегаты (250 мкм - 2 мм), микроагрегаты (53-250 мкм) и свободные из ила + глины (<53 мкм) (Six et al., 2004 ).

Факторы, которые отличаются в разных исследованиях, могут привести к изменению результатов, включая удельную нагрузку каждого отверстия сита, продолжительность просеивания (в частности, относительно крупных фрагментов размером более 16 мм и относительно мелких - меньше, чем 4,75 мм в диаметре), а также количество сит в наборе, их размеры и размеры отверстий в ситах (Diaz-Zorita et al., 2007). Для проведения сравнения эти факторы должны быть постоянными при анализе разных образцов почв. Тем не менее, усилия, которые возникают во время отбора, подготовки и анализа образцов способствуют разрушению структуры почв, и не позволяют точно повторять процессы, происходящие в поле. Следовательно, соотношение между распределением агрегатов по размерам, полученное в лабораторных условиях и существующее в поле является несколько эмпирическим (Kemper and Rosenau, 1986).

Различные авторы отмечали, что путем сухого просеивания можно измерять эрозию почвы. Чепил (Chepil,1953) заявлял, что устойчивость почвы к ветровой эрозии положительно связана с процентным содержанием структурных агрегатов сухих почв размером более 0,84 мм. Тем не менее, процент этих агрегатов будет меняться в результате интенсивности нарушений (то есть, силы и продолжительности) в течение сухого просеивания. Внешние воздействия влияют на растрескивание почвенных частиц, особенно в тех зонах, где связи между частицами слабее, чем сила приложенного давления. Следовательно, размер фрагментов будет зависеть от оказанного воздействия (Diaz-Zorita et al., 2002). Учитывая изменчивость применявшихся методологий и сложности процессов, связанных с ветровой эрозией, соотношение между сухим просеиванием и эрозией почвы остается неясным.

Материалы и оборудование

• Лопата;
• Большие прямоугольные коробки для отбора образцов или бумажные мешки;
• Маркер и этикетки, если используются коробки;
• Сито с отверстиями диаметром 8 мм для подготовки образцов к просеиванию;
• Набор сит с отверстиями диаметром 4,00; 2,00; 1,00; 0,50; 0,25 и 0,053 мм, с крышкой и поддоном;
• Щетка;
• Металлические лотки известной массы;
• Высокоточные весы;
• Секундомер;
• Аппарат для встряхивания образцов;
• Журнал и карандаш.

Ход работы

Отбор образцов в поле

С целью получения более точных данных о структуре почвы, отбор проб в поле должен выполняться тщательно и осторожно, чтобы избежать нарушений структуры. При сравнении различных агротехник возделывания культур, все образцы должны быть собраны в один и тот же день (т.е. наблюдаемая изменчивость в почвенной структуре почв, имеющих сходное содержание воды, может быть результатом различных агротехник возделывания культур). Образцы должны быть получены с использованием лопаты, чтобы избежать сжатия и нарушения образца (что происходит при использовании почвенного бура) и размером с минимальным соотношением площади поверхности образца к его объему, чтобы сократить риск уплотнения. Для анализов необходимо использовать только ту часть образца, которой не касалась лопата. Избегайте любых других действий, которые могут привести к нарушению образца, например, постукивание молотком по лопате. Затем образцы помещают в большие коробки для отбора образцов или в бумажные мешки, которые маркируются соответствующим образом. Следует избегать наслоения образцов почвы, так как они могут давить друг на друга. Перед анализом, образцы следует хранить в контролируемой среде (при постоянной температуре и влажности воздуха).

Подготовка образцов

После отбора образцов в поле, они высушиваются на воздухе при комнатной температуре в течение нескольких часов. Затем большие комья воздушно-сухих образцов (>5 см) аккуратно разбивают по естественным слабым плоскостям на природные агрегаты. Далее образцы сушат на воздухе в течение 2 недель перед тем, как пропускают через сито с диаметром отверстий 8 мм для удаления крупных растительных остатков, корней и камней размером >8 мм. Для дальнейшего анализа берется часть образца навеской весом примерно 200-300 г. С целью того, чтобы навеска типично представляла образец, перед отбором навески необходимо тщательно его перемешать.

Измерение

Необходимо собрать набор сит в колонку по размерам (т.е. 4,00; 2,00; 1,00; 0,50; 0,25 и 0,053 мм), чтобы сито с наименьшим диаметром отверстий располагалось сверху поддона. Насыпают навеску почвы на самое верхнее сито и закрывают его крышкой (рис. 16). Затем колонку сит помещают в аппарат для встряхивания.

Закрепляют колонку сит в аппарате и встряхивают со скоростью 210 движений в минуту в течение 5 минут. После этого содержимое каждого сита отдельно высыпают в соответствующие металлические лотки. Далее при помощи щетки очищают лоток, чтобы вся почва была собрана и нисколько не осталось на сите.

Необходимо предварительно взвесить и промаркировать каждый лоток с указанием номера сита, соответствующего размеру отверстий. Далее, взвешивают лотки с почвой и записывают их вес.

По завершению просеивания, образцы почв могут быть сохранены для использования в других экспериментах и в качестве запасных на случай ошибок в данных.

Расчеты

Пример

При сухом просеивании навески почвы были получены следующие результаты:

Сначала рассчитывается вес фракций почвы путем вычитания веса лотка из общего веса лотка с почвой. Затем рассчитывается общий вес почвы в образце (сумма всех фракций почвы: 190,02 г) и доля каждой весовой фракции (вес почвы во фракции/общий вес образца).

Наконец, средний размер диаметра фракции агрегатов фракции (MWD) рассчитывается в соответствии с формулой:



Все данные и расчеты приведены в следующей таблице:



Приложение

Определение прочности почвенных агрегатов методом мокрого просеивания

Под воздействием естественных (процесс почвообразования) и антропогенных (агротехника возделывания культур) факторов агрегаты и поры почв подвергаются пространственным и временным изменениям (Lal and Shukla, 2004). Фактически, распределение почвенных агрегатов является статическим показателем, который, предоставляет информацию о динамических изменениях. Поэтому, время от времени следует проводить измерение распределения почвенных агрегатов. Практической альтернативой для решения вопроса является проведение измерения прочности почвы. Для определения структурной устойчивости часто измеряется прочность фрагментов почвы, подверженных воздействиям (Diaz-Zorita et al., 2002). Особое значение имеет способность почвы сохранять естественную структуру твердых компонентов и промежутков между ними во время дождя или полива.

Структура почвы может быть нарушена в двух случаях:

1. При прямом воздействии дождя, который разрушает агрегаты, расположенные на поверхности почвы и приводит к формированию корки;
2. В результате спонтанного набухания и разрушения агрегатов почвы при быстром намокании поверхности почвы (вследствие чего появляется корка), так и самой почвы (в результате уплотняется почва) (Arshad and Mermut, 1988; FAO, 2003; Lal and Shukla, 2004).

В обоих случаях, разрушение агрегатов на более мелкие частицы приводит к засорению почвенных пор с формированием уплотнения поверхности и сокращением инфильтрации (гидравлической проводимости) почвы (Lal and Shukla, 2004). Это более серьезная проблема в засушливых и полузасушливых регионах в силу быстрого высыхания почвы.

Деградация почвы и подпочвенного слоя приводит к снижению инфильтрации осадков в нижние слои, и, таким образом, увеличению частоты поверхностных стоков и эрозии почвы, что резко снижает эффективность водопользования. Другими словами, почвы подвергаются эрозии и размыванию больше при снижении стабильности почвенных агрегатов (Kemper and Rosenau, 1986). Разрушение почвенных агрегатов на более мелкие частицы также влияет на процессы транспорта растворенных в воде питательных элементов в почве, а также на сопротивление к проникновению корней и прорастанию побегов (Rathore et al., 1983; Schneider and Gupta, 1985; Nasr and Selles, 1995; Diaz-Zorita et al., 2002).

Метод мокрого просеивания был предложен в качестве методологии для определения устойчивости почвенных агрегатов к водной эрозии или их водопрочности (Yoder, 1936; Kemper, 1966; Kemper and Rosenau, 1986). Согласно этому методу, путем циклического погружения и просеивания образца почвы в воде создаются условия, подобные происходящим в природе воздействиям воды при проникновении в почвенные агрегаты. Поскольку разрушение агрегатов сильно варьируется в зависимости от содержания влаги в образцах, были предложены два метода обработки образцов почвы (Beare and Bruce, 1993; Marquez et al., 2004): предварительное набухание и предварительное увлажнение капилляров.

Непосредственное погружение сухой почвы в воду при давлении атмосферного воздуха вызывает серьезный распад агрегатов на более мелкие фракции и первичные частицы. Слабые агрегаты почвы разрушаются в результате внезапного сброса внутреннего воздуха, который замещается водой (Panabokker and Quirk, 1957; Cambardella and Elliott, 1993; Gale et al., 2000). Если целью анализа является изучение стабильности агрегатов для определения скорости инфильтрации затопленных почв или формированием почвенных корок, то погружение воздушно-сухой почвы (предварительное набухание), вероятно, будет лучшим методом. Предварительное увлажнение капилляров лучше подходит для анализа водопрочности почвы в богарных условиях, а также когда изучается верхний слой почвы. Гораздо меньшее по степени и по интенсивности разрушение агрегатов почвы происходит при медленном (например, с помощью аэрозольного опрыскивания) увлажнении (насыщении водой) почвы, так как связь еще достаточно сильная и удерживает большинство первичных фракций в агрегатах (Kemper and Rosenau, 1986).

Для предварительной обработки необходимо использовать дистиллированную воду, так как соль, содержащаяся в составе воды, может вызвать изменения в ионном состоянии и водопрочности почв, за исключением солонцовых почв (Shainberg et al., 1981). Результаты могут быть сформулированы в виде среднего диаметра агрегатов фракции (мм) (van Bavel, 1949) или как процентное соотношение агрегатов. Во избежание получения неверных результатов, важно исключить из анализов первичных структурных частиц почвы (например, песка, гравия и т.п.) или частиц, появляющихся в результате других процессов (например, механического трения или истирания) (Diaz-Zorita et al., 2002).

Доля гравия и крупнозернистого песка в образцах может быть вычислена с помощью процедуры коррекции содержания песка, при которой образцы подвергают химическому рассеиванию (дисперсии) путем их погружения в гексаметафосфат натрия (Diaz-Zorita et al., 2002). Химическая дисперсия основана на концепции отталкивания частиц, в результате повышения их электрокинетического потенциала. Этот процесс, как правило, осуществляется путем насыщения обменного комплекса натрием (Gee and Bauder, 1986).

Материалы и оборудование

• Лопата;
• Большие прямоугольные коробки или бумажные мешки для отбора образцов;
• Маркер и этикетки, если используются коробки;
• Сито с отверстиями диаметром 8 мм для подготовки образцов к просеиванию;
• Набор сит с отверстиями диаметром 4,00; 2,00; 1,00; 0,50; 0,25 и 0,053 мм;
• Дистиллированная вода (примерно 5 л на один образец);
• Пульверизатор;
• Металлические лотки известной массы;
• Бутылка с распылительной насадкой для очистки сита;
• Весы;
• Секундомер;
• Журнал и карандаш.

Ход работы
Отбор образцов в поле

С целью получения более точных данных о структуре почвы, отбор проб в поле должен выполняться тщательно и осторожно, чтобы избежать нарушений структуры. При сравнении различных агротехник возделывания культур, все образцы должны быть собраны в один и тот же день (т.е. наблюдаемая изменчивость в почвенной структуре почв, имеющих сходное содержание воды, может быть результатом различных агротехник возделывания культур). Образцы должны быть получены с использованием лопаты, чтобы избежать сжатия и нарушения образца (что происходит при использовании почвенного бура) и размером с минимальным соотношением площади поверхности образца к его объему, чтобы сократить риск уплотнения. Для анализов необходимо использовать только ту часть образца, которой не касалась лопата. Избегайте любых других действий, которые могут привести к нарушению образца, например, постукивание молотком по лопате. Затем образцы помещают в большие коробки для отбора образцов или в бумажные мешки, которые маркируются соответствующим образом. Следует избегать наслоения образцов почвы, так как они могут давить друг на друга. Перед анализом, образцы следует хранить в контролируемой среде (при постоянной температуре и влажности воздуха).

Подготовка образцов

После отбора образцов в поле, они высушиваются на воздухе при комнатной температуре в течение нескольких часов. Затем большие комья воздушно-сухих образцов (> 5 см) аккуратно разбивают на естественные агрегаты. Далее образцы сушат на воздухе в течение 2 недель перед тем, как пропускают через сито с диаметром отверстий 8 мм для удаления крупных растительных остатков, корней и камней > 8 мм. Для дальнейшего анализа берется часть образца навеской весом примерно 200-300 г. С целью того, чтобы навеска типично представляла весь образец, перед отбором навески необходимо тщательно перемешать образец.

Измерение

Для каждого сита необходимо выделить и промаркировать отдельный лоток, в котором будут содержаться фракции почвы после просеивания и во время сушки. Для предварительного капиллярного увлажнения, часть образцов почвы после загрузки на сита увлажняются из пульверизатора (рис. 17). Для предварительного набухания, образцы помещают в металлический лоток и погружают в дистиллированную воду на 30 мин. При этом не следует направлять пульверизатор непосредственно на образец, чтобы не разрушать агрегаты. Необходимо собрать набор сит в колонку по размерам (т.е. 4,00; 2,00; 1,00; 0,50; 0,25 и 0,053 мм), чтобы сито с наименьшим диаметром отверстий располагалось внизу (рис. 18). Навеску почвы насыпают на самое верхнее сито и при необходимости очищают сито водой. При этом тоже не следует направлять струю воды непосредственно на образец.

Затем сита погружают в дистиллированную воду и перемещают вверх и вниз по вертикали на расстояние 3,5 см, со скоростью 35 ударов в минуту (рис. 19). После просеивания, остатки с каждого сита смываются в соответствующий промаркированный лоток с помощью воды из бутылки с распылителем. Далее почву сушат в сушильном шкафу при температуре 105°С (рис. 20) и затем взвешивают.

Каждая фракция корректируется на содержание песка и грубых фрагментов. Для этого фракции встряхиваются в течение 18 ч в 5% растворе гексаметафосфата натрия (соотношение почва-раствор 1:3). Затем оставшуюся массу каждого образца заново пропускают через то же сито, на котором она оставалась в ходе первого просеивания. Песок и крупные фрагменты, удерживаемые на сите, тщательно
промывают водой, чтобы обеспечить прохождение всех дисперсных частиц через сито и оставить только песок или грубые фрагменты. Можно использовать водопроводную воду, поскольку содержание соли в воде больше не может влиять на агрегацию на данном этапе. Содержимое сита смывается в промаркированный лоток, используя бутылку с распылительной насадкой. Затем почву сушат в сушильном шкафу при температуре 105°С (рис. 20) и взвешивают. Для облегчения расчетов, удобно использовать один и тот же промаркированный лоток для первого просеивания и для коррекции на содержание песка. Оставшийся вес затем вычитается из исходного веса этой фракции.

Альтернативный метод мокрого просеивания

При отсутствии мелких сит, описанных в указанном выше способе, можно использовать набор сит, используемых для сухого рассева. Этот метод является более трудоемким и относительно менее точны. Для проведения анализа с применением этого метода требуются следующие необходимые дополнительные материалы (рис. 21):

• Плоскодонные чаши (кухонные пластмассовые чаши) с диаметром ± 30 см и высотой ± 8 см;
• Бутылка с распылительной насадкой для очистки сита;
• Большой мерный цилиндр;
• Мерный стаканчик;
• Набор сит диаметром 20 см и с диаметром отверстий 4,00; 2,00; 0,250 и 0,053 мм;
• Большие металлические лотки.

Следует предварительно взвешивать лотки, которые будут использоваться для сушки образцов в сушильном шкафу. Из образца почвы отбирают навеску весом 40 г и насыпают в сито с диаметром отверстий 4 мм. Затем сито помещают в чашу, заполненную водой до уровня, ниже 1,5 см верхнего кольца сита. Навеска почвы равномерно распределяется по ситу и оставляется для набухания на 5 минут. В этот промежуток плавающие органические остатки удаляются из воды.

Затем образец в течение 2 минут просеивают, перемещая сито плавно вверх и вниз под небольшим углом (± 3,5 см по вертикали). Почва должна подниматься над поверхностью воды при каждом движении. Но надо поддерживать сито под небольшим углом, чтобы избежать попадания воздуха под сетку. После чего необходимо тщательно промыть стенки и дно сита дистиллированной водой и смыть материал, оставшийся на сите, в промаркированный лоток.

Далее помещают сито с диаметром отверстий 2 мм в следующую чашу и вливают в него всю воду и почву, оставшиеся в первой чаше. Можно использовать бутылку с дистиллированной водой, чтобы смыть почву, но не направляя воду непосредственно на почву. Процесс просеивания повторяется и содержимое сита выливается в заранее взвешенный и промаркированный лоток. После чего сито также очищается водой. Такая же процедура повторяется на ситах с диаметром отверстий 0,250 мм и 0,053 мм, а остальные фракции <0,053 мм также выливают в поддон. Если эта фракция составляет слишком большую долю и не помешается в лотке, то можно отбирать навеску.

Навеска отбирается мерным стаканчиком, в то время как материал постоянно помешивается для его поддержания во взвешенном состоянии. Лоток с фракцией <0,053 мм взвешивают. Оставшийся объем фракции <0,053 мм измеряется в измерительном цилиндре для того, чтобы позже вычислить его общий объем. Затем лоток с фракцией помещают в сушильный шкаф при температуре 105°С на 18-24 часов, пока он полностью не высохнет.

Коррекция на содержание песка выполняется таким же образом, как описано выше для другого способа мокрого просеивания.

Расчеты

 


Практический пример

Навеску почвы 2041-Ia просеивали на ситах с диаметром отверстий 4,00; 2,00; 0,250 и 0,053 мм. Каждую фракцию помещали в заранее взвешенные и пронумерованные лотки и сушили в сушильном шкафу при температуре 105°С в течение 24 часов. В результате были получены следующие данные:

После высушивания вес фракций агрегатов почвы рассчитывают вычитанием веса лотка из общего веса лотка + почва. Например, вес фракции размером менее 0,250 мм и больше, чем 0,053 мм:

35,02 - 15,98 = 19,04 г.

Вес фракции размером менее 0,053 мм в лотке рассчитывается аналогично, а затем определяется общий вес фракции размером <0,053 мм.

После просеивания, 439,95 г оставшейся воды выливают в лоток, в то время как остаток измеряется, чтобы убедиться, что там 1,250 л, затем его выливают. Поскольку количество почвы в воде очень небольшое, мы можем упростить расчет и сказать, что вес вылитой воды был равен 1250 г. После сушки в лотке осталось 0,74 г почвы, поэтому соотношение почвы к воде составляет:

0,74 г/439,95 г = 0,001682

Это соотношение позволяет вычислить общую долю фракции размером <0,053 мм:

(1250 г + 439,95 г) х 0,001682 = 2,843 г

Затем можно вычислить общий вес почвы в образце (36,18 г) и доли каждой весовой фракции. В этом примере коррекция песка не производится.

Например, для фракции размером менее 0,053 мм:

2,843 г/ 36,18 г = 0,07432

После этого можно вычислить средний размер фракции агрегатов образца почвы по формуле:

Приложение

Определение растрескивания почвы

Растрескивание почвы может произойти при высыхании сырых и влажных почв. Такое явление распространено на почвах с высоким содержанием глины, характеризующихся сильным потенциалом набухания и сжатия. Испарение воды из пор почвы приводит к нарастанию отрицательного давления, которое способствует снижению объема почвы.

Поскольку это давление оказывается во всех направлениях, сжатие также происходит во всех направлениях и вызывает растрескивание (Kleppe and Olston, 1985). Трещины – это уникальная особенность почв, обладающих сильным потенциалом набухания и сжатия, которые используется в качестве одного из критериев для определения вертисоли (грумусоли). Во время дождей трещины способствуют пополнению запасов воды в почвах, которые обычно являются малопроницаемыми. (Mitchell and Van Genuchten, 1992). Они также расширяют взаимодействие почвы и воздуха в почвенном горизонте, потенциально увеличивая потери воды в результате испарения (Ritchie and Adams, 1974). Количество трещин в почве влияет на сток воды и инфильтрацию. При этом увеличение частоты и размера трещин ведет к значительно более высокой скорости инфильтрации (Stirk, 1954; Battany and Grismer, 2000).

На количество трещин в почве влияют следующие факторы: начальная насыпная плотность, содержание глины, содержание органического углерода и катионообменная емкость почвы. Растрескивание способствует быстрому поступлению воды, питательных веществ и пестицидов в нижние слои почвы, делая их недоступными для мелких корней растений, которые могут привести к загрязнению грунтовых вод (Arnold et al., 2005).

Материалы и оборудование

• Шпагат (60 см);
• Стальной стержень (2 мм в диаметре);
• Метровая линейка;
• Штангенциркули;
• Полевой журнал для учета данных и карандаш;
• Два прута (1 м длины);
• Металлическая проволока для разделения областей измерений.

Ход работы

Данная методика была предложена Бандиопадхйай и др. (Bandyopadhyay et al.,2003). На участках, где произведен посев на гребнях, площадь отбора образцов определяется шириной гребня и длиной 1 м (один погонный метр). На участках с рядовым посевом на ровном поле, ширина площади отбора образцов равна расстоянию нескольких рядов посева, а при посеве разбросным способом - произвольно выбранному расстоянию. В обоих случаях делают два измерения на каждой из делянок. Например, когда делянки состоят из 8 гребней по 0,75 м в ширину и 13 м в длину, берется одно измерение в борозде №3 и на гребне №4 и еще одно в борозде №5 и на гребне №6. Площадь каждого места отбора составляет 0,75 . 1 м. Место для отбора образцов выбирается так, чтобы граница находилась на посеянном ряде (рис. 22). Для облегчения проведения измерений участок для отбора образцов делят на 6 частей. Во-первых, граница раздела проходит между частью делянки, где проходит борозда (от одного ряда посева до другого) и частью делянки, где расположен гребень (между двумя рядами сельскохозяйственных культур). Во-вторых, эти два участка в свою очередь делятся на 3 равные части длиной по 0,333 м16 . Соответственно, при посеве культур на гребне в один ряд (например, кукурузы), нет необходимости проводить различие между гребнем и бороздой.

Площадь измерения в борозде определяется с помощью двух прутьев длиной 1 м. Металлической проволоке придают форму квадрата нужных размеров и этот квадрат используется для обозначения первого места для взятия образца (рис. 23). Если на учетной площадке имеются растительные остатки, то они удаляются. На карту наносятся все трещины глубже 2 см и шире 2 мм (рис. 25 и 26). В полевой журнал записывается видимая длина, глубина и ширина каждой трещины:

• Сначала с помощью шпагата, уложенного вдоль трещины на поверхности почвы, измеряется видимая длина каждой трещины (рис. 25). В то же время, каждая трещина, нанесенная на карту, обозначается буквой (рис. 24);
• Затем измеряется глубина трещины через каждые 10 см по ходу трещины с использованием стального стержня, вставляя его в трещину до тех пор, пока не почувствуется сопротивление дальнейшему проникновению. Таким образом, проводится одно измерение для трещины длиной 10 см, 2 измерения для трещины длиной 20 см и т.д. Для измерения глубины трещины, большой палец и указательный палец держат на стальном стержне на уровне поверхности почвы. Затем извлекают стержень и при помощи линейки определяют глубину трещины;
• Ширина трещины измеряется в тех же самых точках на глубине 1 см от поверхности почвы с использованием штангенциркуля (рис. 26). Измерение ширины трещины на глубине одного сантиметра было принято во избежание чрезмерного завышения показателя ширины, вызванного нарушением поверхностного слоя почвы. Процедуру повторяют для каждой учетной площадки, и все данные записывают в полевой журнал в приложенной форме.

Расчёты

Объем (V, см.) и площадь поверхности (SA, см.) каждой трещины вычисляется с помощью следующих уравнений, делая допущение о треугольной форме трещин (Sharma et al. 1995):

Сначала, показатель длины трещины делится на значение измерений глубины (и ширины) трещины. Затем, V, C и SA рассчитываются для каждой части трещины, а после все отдельные значения V и SA суммируются для расчета V и SA всей трещины. В конечном счете, рассчитываются общий объем и площадь поверхности всех трещин на измеряемой площади (например, 0,75 . 1,00 м).

Практический пример

Пример приведен для той же самой площади измерения, как показано на рис. 24. Данные, внесенные в полевой журнал, приведены в табл. 3.

По трещине «а»:

Есть три части длиной 32/3 = 10,7 см

C рассчитывается для каждой части:

 


Общая поверхность трещины «а» вычисляется следующим образом:

 

Расчет общего объема трещины «а» проводится:

 

Используя тот же подход, рассчитываются поверхность и объем каждой трещины. Суммируются поверхности и объем всех трещин, чтобы рассчитать общую поверхность трещины и объем в месте измерения: SA = 145,4 см. и V = 534,1 см.

Приложение


Замеры трещин производили на трех последовательных частях учетной площади (I, II, III), длина каждой части 33,3 см и ширина ____________

Буквы обозначают каждую измеренную трещину. L = длина (см), D = глубина (см), W = ширина (см); D и W измеряются примерно через каждые 10 см вдоль трещины.

Эксперимент по замерам трещин: участок: [ _ ] гребень № / [ _ ] борозда между гребнями № [ _ ] Дата: ____________

Замеры трещин производили на трех последовательных частях учетной площади (I, II, III), длина каждой части 33,3 см и ширина ____________

Буквы обозначают каждую измеренную трещину. L = длина (см), D = глубина (см), W = ширина (см); D и W измеряются примерно через каждые 10 см вдоль трещины.

Эксперимент по замерам трещин: участок: [ _ ] гребень № / [ _ ] борозда между гребнями № [ _ ] Дата: ____________

Определение инфильтрации

Скорость инфильтрации - это скорость, с которой вода поступает в почву. Она, как правило, измеряется глубиной (в мм) слоя воды, который может просочиться в почву в течение одного часа. Скорость инфильтрации 15 мм/час означает, что для слоя воды толщиной 15 мм на поверхности почвы потребуется один час, чтобы полностью просочиться в почву (Brouwer et al., 1988). Инфильтрация - это сложный процесс, который зависит от физических и гидравлических свойств почвы, содержания воды и воздуха в почве, предыдущей истории увлажнения, а также структурных изменений в слоях почвы (Walker, 1989). Различные характеристики почвы могут влиять на скорость инфильтрации, в том числе на текстуру и структуру почвы, трещины, набухание почвы и технологии возделывания сельскохозяйственных
культур. (Chen-Wuing et al., 2003). В сухой почве вода просачивается быстро. Это называется начальной скоростью инфильтрации. Чем больше воды замещает воздух в порах почвы, тем с меньшей скоростью вода с поверхности проникает в почву, и в конечном итоге достигает постоянной скорости, когда почва насыщена водой. Это называется постоянной скоростью инфильтрации (Брауэр и др., 1988). Знание постоянной скорости инфильтрации важно для построения эффективной системы орошения. Когда количество поливной воды превышает скорость инфильтрации, могут возникать стоки, вызывающие неравномерное распределение воды и, с большой вероятностью, приводящие к эрозии.

Кривые инфильтрации и скорость постоянной инфильтрации могут быть измерены инфильтрометром17 с двойным кольцом. Измерение инфильтрации при помощи этого устройства является трудоемкой работой, требующей много времени. Поэтому ниже приведена более упрощенная методика. Измерение инфильтрации при помощи инфильтрометра с малым кольцом является альтернативным методом, который является более быстрым и не нарушает поле в той же степени, что и инфильтрометр с двойным кольцом. Однако этот метод является менее точным, поскольку он не учитывает боковой поток.

Кроме того, измерение при помощи инфильтрометра с двойным кольцом приведет к насыщению почвы водой. В отличии от этого метода, измерения инфильтрации при помощи малого одиночного кольца может быть достигнуто с переменным количеством воды18. Использование небольшого количества воды при измерениях демонстрирует то, что происходит во время выпадения осадков. А использование большего количества воды даст значение более похожее на скорость постоянной инфильтрации. Боуэр (Bouwer, 1986) в своем исследовании сделал вывод о том, что скорость инфильтрации, полученная при помощи цилиндрического инфильтрометра, может сопровождаться ошибками и неопределенностью. Ошибки измерения могут возникнуть из-за нарушения структуры почв при введении цилиндра прибора в почву. В почвах с корковой поверхностью или другими ограничивающими слоями на или вблизи поверхности, инфильтрометры могут нарушить такие ограничивающие слои, что приводит к резким увеличениям в скорости инфильтрации. Кроме того, глина и другие мелкие частицы, временно попавшие в виде суспензии во внутрь цилиндра, могут оседать на почву во время измерения, создавая ограничивающий слой на поверхности.

Методология «время заполнения водой»19 была предложена Говаэртс и др. (Govaerts et al., 2006), чтобы преодолеть эти ошибки и обеспечить быстрое, надежное и простое измерение. Этот метод является потенциально полезным для проведения исследований по измерению непосредственной инфильтрации с поверхности почвы даже на уровне хозяйств. Согласно этой методологии кольцо из металлической проволоки помещается на поверхность почвы, чтобы избежать нарушения структуры почвы. Так как проволока не препятствует потоку воды с этого участка, данная методика также позволяет провести косвенное измерение поверхностного стока, который обычно не учитывается в измерении при помощи цилиндрического инфильтрометра.

Непосредственное измерение поверхностного стока является трудоемким процессом и требует много времени (Barthes and Roose, 2002; Hellin, 2006). Поверхностный сток напрямую связан с эрозией почвы, которая зависит от физической характеристики поверхности почвы (т.е. от стабильности агрегатов верхнего слоя почвы) (Barthes and Roose, 2002) и агротехники возделывания культур (то есть, наличие покрова из растительных остатков, защищающего почву от прямого воздействия дождевых капель) (Neave and Rayburg, 2007). Методика «время заполнения водой» представляет собой измерение инфильтрации по сравнению с поверхностным стоком, в которой учитываются оба аспекта: физическая характеристика почвы и агротехника возделывания культур. Таким образом, измерения не только обеспечивают основу для сравнения скорости инфильтрации между почвами, но и позволяет получить информацию о влиянии агротехники возделывания культур на поверхностный сток. В большинстве методологий часто не учитывается влияние агротехники возделывания культур. Например, Андерсон и Инграм (Anderson and Ingram, 1993) рекомендуют сначала удалить поверхностный покров, прежде чем проводить измерение скорости инфильтрации. При этом игнорируется тот факт, что управление растительными остатками сильно изменяет скорость инфильтрации воды в почву (Hellin, 2006).

Учитывая изменчивость физических характеристик почв, особенно в верхнем слое почвы, и переменные уровни растительных остатков на поверхности из-за разложения и оставления новых остатков, рекомендуются различные пространственные и временные меры для времени заполнения почвы водой. Измерение по методу «время заполнения водой» является быстрым и не разрушает структуру почвы и растительные остатки. Но главный недостаток метода заключается в том, что он не позволяет получить количественные показатели. Значения измерений по методу «время заполнения водой» могут быть использованы только для проведения сравнений между делянками в одном испытании. Поскольку это быстрый и простой метод измерения, то его также можно использовать для демонстрации разницы в инфильтрации между полями. Каждый из кратко описанных методов имеет свои преимущества и недостатки (табл. 4). Выбор метода исследования зависит от целей, имеющихся ресурсов и производственной системы.

Инфильтрометр с двойным кольцом
Материалы и оборудование

• Примерно 200 л воды на измерение (объем воды зависит от почвы. Меньше воды требуется, когда используется кольцо из металлических листов вместо земляной насыпи (земляного вала);
• Ведра;
• 2 цилиндра с диаметром 15 см;
• Лопата;
• Оборудование для выемки земли при выполнении измерений на глубине;
• Металлические листы размером примерно 60.30 см (только тогда, когда есть в наличии и для поверхностных измерений);
• Малый контейнер для воды (примерно 500 мл);
• Пластиковые пакеты;
• Молоток;
• Кусок дерева;
• 2 измерительных стержня;
• Ткань из мешковины или из джута;
• Секундомер; Полевой журнал и карандаш.

Ход работы

Для измерения инфильтрации необходимы 2-3 человека.

Два кольца забиваются в почву на глубину 10 см и на расстоянии 15 см друг от друга. Во время забивания молотком, кусок дерева размещается на верхней части колец, чтобы защитить их от повреждений. Важно удерживать стороны колец вертикально в течение этого времени.

Измерительный стержень вводится в почву до тех пор, пока не будет устойчивым (примерно на глубину 3-10 см, в зависимости от твердости почвы) и отмечается нулевой уровень. Вокруг двух колец формируется земляной вал (насыпь) высотой 20 см (на расстоянии, по меньшей мере, 10 см от границы каждого кольца). Ткань из мешковины (или другого подходящего материала) устанавливается с внутренней стороны насыпи, чтобы защитить поверхность почвы при заливке воды. Воду наливают в пространство между двумя кольцами и насыпью до достижения высоты примерно 10 см. Наливают воду в это место с целью предотвращения бокового распространения воды из инфильтрометра. Важно поддерживать воду в кольцах и в насыпи на одном и том же уровне, чтобы предотвратить вытекание воды из колец. Измерения могут быть сделаны на поверхности (в месте, окруженном земляной насыпью) или в яме выбранной глубины (рис 27). Если в наличии есть металлические листы, то их можно использовать для измерений на поверхности в качестве альтернативы земляной насыпи. Тест начинают с заливки воды в каждое из колец (с помощью небольшого контейнера для воды при одновременной защите почвы полиэтиленовым пакетом) до высоты около 10 см. Этот процесс должен быть завершен быстро, и следует записывать время начала процесса, наряду с указанием уровня воды на измерительном стержне. Когда уровень воды снизится примерно на 1 см, следует снова записать время и уровень воды. Затем вода снова доливается в кольца до достижения исходной высоты примерно 10 см и в журнал записываются вышеперечисленные параметры.


В глинистой почве, по крайней мере, измерения проводят и данные записываю каждые 30 минут, а в почвах с более грубой текстурой - каждые 20 минут. Продолжают испытание, пока падение уровня воды не станет постоянным за равные промежутки времени. Испытание можно остановить, когда, по меньшей мере, три раза подряд будут получены одинаковые значения. Внимательно наблюдают, чтобы вода внутри и за пределами кольца поддерживалась на одном уровне в течение всего периода измерения.

Во время измерения, желательно кольца должны быть покрыты пластиковыми пакетами, чтобы предотвратить испарение.

Расчеты

Постоянная скорость инфильтрации k s рассчитывается по формуле, предложенной Рейнольдс и Элрик (Reynolds and Elrick, 1990) и Рейнольдс и др. (Reynolds et al., 2002) (рис. 28):

 


Когда постоянная скорость инфильтрации k определяется как равная скорости псевдо-установившейся скорости инфильтрации, измеренной в поле, она зачастую бывает завышенной, так как qs зависит от H, d, a и . (Reynolds et al., 2002). Ниже приведены категории текстуры/структуры почвы для оценки участка . (табл. 5), а также ряд постоянных скоростей инфильтрации, соответствующих различным текстурам почв (табл. 6).

Практический пример

Скорость инфильтрации измерялась в яме глубиной 1,10 м в почвенном профиле в Сьюдад-Обрегон, Мексика. Почва на этой глубине состояла из опесчаненного иловатого суглинка. Используя табл. 7 можно вычислить, что qS = 9 мм/20 мин = 27 мм/час

Измерение скорости инфильтрации при помощи инфильтрометра с малым одиночным кольцом
Материалы и оборудование

• Цилиндры диаметром 15 см;
• Вода;
• Ведра;
• Стакан 250 мл;
• Секундомер;
• Полевой журнал и карандаш.

Ход работы

Скорость инфильтрации необходимо измерить сразу после или до определения влажности почвы. Цилиндр помещают на поверхность почвы, вводя его на глубину 1 см в почву (чтобы избежать стока воды), удалив растительные остатки и сорняки перед его установкой. Воду (250 мл) заливают в цилиндр в момент времени 0 и запускают секундомер. Записывают в полевом журнале время, необходимое для просачивания всей воды. В соответствии с другим альтернативным вариантом добавляют последовательно от 10 до 15 объемов воды по 100 мл в почву и записывают время, необходимое для инфильтрации каждого объема. При проведении измерений в системе возделывания культур на гребнях, измерения можно записать отдельно по верхней части гребня и отдельно по бороздам.

Практический пример

В этом примере 250 мл воды просочилось за 89 секунд. Следовательно, скорость инфильтрации равна:

Скорость постоянной инфильтрации или время заполнения водой
Материалы и оборудование

• Лейка (для гребней берется меньшим объемом);
• Вода (5 л на один образец);
• Линейка (минимум 30 см);
• Белая клейкая лента (скотч);
• Металлическое проволочное кольцо (53 см в диаметре для измерений на ровном поле; 40 см для измерений на гребнях);
• Секундомер;
• Садовые ножницы или другие режущие инструменты;
• Полевой журнал и карандаш.

Ход работы

Во-первых, лейка может быть откалибрована таким образом, что можно будет записать точные значения налитой воды. Это может быть достигнуто путем заливки известных объемов в лейку и записи уровня воды на линейке, прикрепленной к лейке (рис. 29).

Для полевых измерений помещают кольцо из металлической проволоки над почвой (чтобы ряд посеянных культур находился в пределах диаметра проволоки), чтобы оно не препятствовало вытеканию воды из этого места (роль первого человека; рис. 30). Затем второй человек отмечает начальный уровень воды в лейке, а третий человек записывает все данные в полевом журнале. Затем второй человек льет воду с высоты 75 см в центр кольца под устойчивым углом (рис. 31), а третий человек запускает секундомер. Когда вода вытекает из кольца (как отмечено первым человеком), второй человек прекращает лить воду и также останавливает секундомер (т.е. время заполнения водой). Потребовавшееся на это время и конечный уровень воды в лейке регистрируются третьим человеком.

Важно поддерживать поток воды из лейки по возможности постоянным в течение всего процесса измерения. Чтобы добиться этого, следует избегать значительных колебаний уровня воды в лейке. Таким образом, лейка должна заполняться регулярно и, как правило, уровень воды не должен опускаться ниже 2/3 от максимального объема.

Расчеты

Сначала используются учетные записи по калибровке объемов добавленной воды и уровням воды, чтобы установить связь между уровнем воды в лейке и объемом воды в емкости. Это делается путем выполнения простой регрессии в формате Excel, в результате чего получаем следующее уравнение:

Объем = a x Уровень воды в лейке

Используя это уравнение, можно преобразовать измеренные уровни воды в объемы.

Измерения по методу «время заполнения водой», которые характеризуются сопоставимыми потоками, действительны для дальнейшего анализа. Поток воды подтверждается, чтобы был постоянным и выпадающие показатели устранятся с помощью формулы:

Практический пример

Для калибровки лейки, в нее несколько раз заливают определенный объем воды и записывают высоту уровня воды в лейке (табл. 8). Соотношение между уровнем воды и объемом составляет:

Объем = 0,6317 x Уровень (рис. 32)

В поле четыре различных измерения времени заполнения водой проводились на одной делянке (табл. 9).

Первоначальный объем (V_initial) и конечный объем воды в лейке (V_final) рассчитываются исходя из соответствующих высот, измеренных при помощи линейки, прикрепленной к лейке.

Таким образом, для первого эксперимента с повторениями, V_inital составлял 12,64 л и V_final составлял 11,69 л.

Таким образом, поток рассчитывается как:

Flux= (Vinital- Vfinal) / t = 12,63 л - 11,69 л / 8,526 с = 0,11 л/c

Приложение

Определение твердости почвы

Твердость почвы или же ее сопротивление проникновению в почву рабочих органов почвообрабатывающих орудий или росту корней, является индикатором уровня уплотнения почвы. Уплотнение ограничивает рост корней, наличие воздуха и доступа воды к корням (Herrick and Jones, 2002; Lampurlanes and Cantero-Martinez, 2003). Степень твердости почвы вычисляется на основе сопротивления почвы проникновению конусообразного плунжера, деленного на глубину ее проникновения. Твердость почвы измеряется твердомером, который может быть статическим или динамическим. В данной работе приводится описание методики использования динамического твердомера.

Херрик и Джонс (Herrick and Jones, 2002) проведя оценку практического применения динамических и статических твердомеров пришли к выводу, что динамические твердомеры являются надежными, долговечными и недорогими инструментами для оценки уплотнения почв. Кроме того, с динамическим твердомером могут пользоваться люди без специального опыта работы, такие как сотрудники служб по распространению сельскохозяйственных знаний или фермеры. Следует отметить, что все твердомеры чувствительны к изменению влажности, плотности и структуры почвы. Поэтому желательно также
измерять и эти показатели почв при работе с твердомером (Vaz and Hopmans, 2001; Herrick and Jones, 2002).

Материалы и оборудование

• Измеритель плотности почвы (твердомер);
• Полевой журнал и карандаш.

Ход работы

При необходимости с поверхности почвы удаляется солома или другие остатки, чтобы лучше видеть индикатор глубины проникновения на твердомере.

Твердомер устанавливают перпендикулярно к поверхности почвы и нажатием на ось плотномера вдавливают конусообразный плунжер в почву. Хотя это важно на начальном этапе, но если угол наклона твердомера изменился при проведении измерений, то не следует его выравнивать. Следует избегать проведение измерений на местах, где почва нарушена, например, там где имеются трещины. При работе с твердомером, скользящую гирю, прикрепленную в стержень прибора, поднимают до самого высокого уровня и отпускают. Гиря своим весом ударяет на предохранительное кольцо, прикрепленное к стержню прибора и вдавливает его в почву. При этом необходимо положить левую руку прямо на ручку прибора (рис. 33), а не держать его за стержень. При измерении необходимо стоят на некотором расстоянии от прибора и держать другие предметы подальше от пути скольжения гири, чтобы избежать травм. Следует быстро убрать правую руку от прибора после того как гиря начнет опускаться вниз, так как рука может быть травмирована весом гири. Нельзя также силой опускать гирю или ударять ей в предохранительное кольцо. Гиря должна свободно опускаться и ударить в предохранительное кольцо своим весом.

По ходу измерений записывают сколько раз требуется поднимать в исходное положение (до ручки прибора – верхний упор) и опускать гирю, чтобы погрузить конусный плунжер на предварительно определенную глубину в почву. Это число зависит от особенностей почвы, глубины обработки почвы и других факторов. Кроме того, необходимо, чтобы шаговые деления, заранее отмеченные на стержне прибора и используемые для измерения глубины проникновения плунжера были обоснованными. Например, они должны опираться на данные о почвенных горизонтах.
Для получения точных результатов, необходимо измерить сопротивление почвы проникновению плунжера на различных глубинах и в нескольких повторениях. Например, в опыте, проведенном СИММИТ на делянке размером, 13 м в длину и 6 м в ширину (8 гребней по 75 см), проводились четыре измерения, из них два на гребне №3 и два на гребне №6. Для измерения глубины погружения плунжера использовалась шкала с шаговым делением в 15 см, т.е. на стержне прибора были сделаны метки на следующие расстояния: 0-15 см, 15-30 см, 30-45 см и 45-60 см.

Расчеты

Сопротивление почвы проникновению рассчитывается по следующей формуле:

Площадь поверхности конусного плунжера вычисляется по следующей формуле:

Практический пример

Измерение проводили с помощью твердомера, конусный плунжер которого имеет радиус r = 0,895 см и высоту h = 3,58 см.

Масса гири равна 5 кг, расстояние скользящей гири - 29,5 см и шаговое деление измерения глубины проникновения - 15 см. Площадь поверхности конусного плунжера составляет: 

s² = r² + h² = 0,8952 + 13,622 = 13,62 см²


Соответственно, его продольная длина равна:

S = 3,69 см

и площадь поверхности:

A = π x r x s = 10.38 см²

Исходя из этого, сопротивление почвы проникновению составляет:

 

Технические спецификации твердомера

Твердомер может быть сконструирован квалифицированным слесарем. Поэтому, в данной публикации приводятся технические спецификации прибора. При изготовлении твердомера, размеры не обязательно должны быть точно такими же, как указано ниже. Это пример твердомера (рис. 34), используемого в СИММИТ. Однако, для проведения точных измерений, очень важно знать все размеры твердомера, особенно его конусного плунжера.

 

Приложение

Определение мульчирующего покрова

Мульчирующий покров образуется, когда на поле сохраняются пожнивные остатки растений. Мульча считается важным природным ресурсом для сохранения и улучшения состояния почвы, особенно в почвозащитном и ресурсосберегающем земледелии. При этом нулевая обработка почвы с сохранением растительных остатков может повысить урожайность по сравнению с традиционным земледелием, в то время как нулевая обработка почвы без оставления растительных остатков может значительно уменьшить урожай (Govaerts et al., 2004, 2005; Verhulst et al., 2010). Положительные свойства мульчирующего покрова включают в себя снижение эрозии почвы, сокращение поверхностных стоков и улучшение инфильтрации (Coolman and Hoyt, 1993; Langdale et al., 1994). В дополнение к этому, мульчирующее покрытие может смягчить водный стресс, так как отражает свет и функционирует в качестве изолирующего покрытия для почвы, тем самым уменьшая испарение.
Мульчирующее покрытие также влияет на температуру почвы: в зависимости от климатических условий и сезона года, температура почвы под мульчей может быть на 10°С выше или ниже, чем на поверхности голой почвы (Mitchell and Tell, 1976).

Следовательно, как было указано ранее, относительная влажность под мульчирующим слоем выше по сравнению с поверхностью без покрова (Bond et al., 1969; Gupta et al., 1983; Coolman and Hoyt, 1993), что также способствует повышению уровня биологической активности и улучшению химических свойств почвы (Doran, 1980). В период вегетации, как правило, объем мульчирующего покрова сокращается из-за его разложения микроорганизмами. При этом питательные элементы поступают в почву. В этом разделе описан простой, не требующий опыта работы или специального оборудования, но эффективный метод для измерения мульчирующего покрова.

Материалы и оборудование

• Рейка;
• Линейка;
• Полевой журнал и карандаш.

Ход работ

Сначала нужно определить, как следует произвести измерение. Это будет зависеть от различных аспектов, таких как расположение делянок, типа культуры и системы земледелия. Важными факторами для принятия решения являются длина учетных площадок, их месторасположение и ориентация на участке. Длина учетной площадки будет зависеть от расстояния между рядами, гребнями и бороздами на делянке. Например, когда пшеница посеяна на ровных участках (без гребней), то длина может быть определена как кратное расстояние между рядами. А когда пшеница посеяна на гребнях, длина может быть определена как кратное ширины гребня. В СИММИТ для проведения таких измерений длина учетных площадок обычно составляет 150 см, что охватывает два гребня шириной 75 см, на которых в два ряда посеяна пшеница. Такой пример и демонстрируется в данной работе. Наиболее важным фактором является то, чтобы выбранная длина учетных площадок давала результаты, характерные всему эксперименту. Наиболее лучшим расположением учетных площадок было их перпендикулярное расположение к направлению посева.

Следует избегать измерения мульчирующего покрова в тех местах делянки, где на результат могут повлиять другие факторы. Когда за мульчирующим покровом ведутся наблюдения в течение долгого времени, то необходимо выбирать одни и те же места для проведения замеров. Чтобы уменьшить погрешности, измерение необходимо делить на пять частей. В примере, предоставленном СИММИТ, длина каждой части измерений составляет 30 см. Такое расстояние выбрано для удобства, так как оно равно длине линейки. При измерениях, площадь покрытая мульчей, оценивается через каждые 30 см. При оценке различных приемов, учет проводится на делянках, покрытых мульчирующим покровом и без покрова. Для этого рейку длиной 150 см располагают на делянке, перпендикулярно к направлению посева. Если учет проводится в системе с применением гребней, то измерения начинаются от левой границы первого гребня и рейка должна лежать через следующую борозду и гребень до правой границы второй борозды. Процедура измерений подробно показана на рис. 36, где вдоль линии расположения рейки в общей сложности находится слой мульчи 6 см (150 см указаны серой стрелкой). Общее количество определяется путем суммирования измерений по каждой части по 30 см (например, 2,0 + 0,5 + 2,0 + 1,5 + 0 см).

Расчеты

Мульчирующий покров (Cov %) рассчитывается как процент от площади поверхности почвы, покрытой мульчей вдоль линии расположений рейки:

В качестве альтернативы, когда измеряется голая почва (без мульчирующего покрова):


Практический пример

На делянке с 8 гребнями длиной 13 м произведены два измерения. Первое измерение произведено в первой половине второго и третьего гребней, а другие - во второй половине шестого и седьмого гребней. Мульчирующее покрытие оценивалось визуально пять раз в течение вегетационного сезона (сразу перед посевом, примерно на 40, 80, 120 день и перед уборкой урожая). Полученные данные, которые представлены на рис. 35, могут использоваться в качестве примера для одного из этих измерений:

Приложение

Определение урожайности и структуры урожая

Агротехнические приемы выращивания сельскохозяйственных культур в основном оцениваются на основе данных об урожайности. Поэтому информация о влиянии предлагаемой агротехники на урожайность должна быть точной и надежной. Целью данного руководства является практическое объяснение правильного получения таких данных.

Руководство состоит из четырех разделов. Первый раздел помогает в определении площади для отбора образца урожая; второй и третий разделы объясняют несколько простых шагов для получения данных об урожае зерна и выходу биомассы кормовых культур. В заключительном разделе подробно обсуждаются зерновые колосовые культуры и кукуруза, а также структура урожая этих культур.

Важно отметить, что для получения правильных данных необходимо сушить все образцы единым методом и вес измерять в граммах. В процедурах описывается сушка образцов в сушильном шкафу, но при его отсутствии, образцы могут быть высушены в тени или на солнце. Если все образцы сушат до достижения постоянного веса в одних и тех же условиях, то без проблем можно применять формулы, описанные в данном руководстве. Однако необходимо в отчете указать метод сушки образцов - в сушильном шкафу, в тени или на солнце.

Размеры образцов, используемых в данном руководстве (например, 10 растений, 50 стеблей, 200 зерен и т.п.) являются ориентировочными. По мере возможности можно использовать более крупные образцы. Во избежание потенциальных ошибок из-за расхождений не рекомендуется использовать меньший размер образца.

Определение площади отбора образца для расчета урожайности

Площадь, с которой проводится отбор образца для определения урожайности называется учетной площадью урожайности и должна характеризовать весь участок посева. Для этого необходимо учесть некоторые моменты:

• Площадь, с которой отбирается образец (учетная площадь урожайности), должна быть достаточно большой, чтобы охватывать колебания в пределах поля;
• Следует избегать отбора образцов по краям участка, так как они из-за «краевого эффекта» могут быть не характерными для всего посева;
• Важно учесть наличие техники и оборудования для этой задачи. Например, если имеется комбайн, то можно выбрать большую площадь для уборки урожая. Но когда работа осуществляется вручную, то обычно образцы урожая отбираются с меньшей площади;
• Участки, на которых произошло то, что не входит в цели и задачи опыта и это может повлиять на результат расчета урожайности (например, только отдельные участки поля пострадали от болезней и вредителей), не могут считаться характерными для всего посева.

Примерным размером минимальной площади для отбора образца урожая культур при выращивании на гребнях может составлять площадь трех прямоугольников длиной 3 м и шириной одного гребня (3 погонных метра) или половины ширины захвата сеялки (для посева на ровной (без гребней) поверхности). Можно увеличить размеры площади отбора образцов, если участки большие или колебания внутри участка высокие. Размеры площади для отбора проб должны соответствовать общему размеру поля, и должны быть такими же и для отбора проб из других участков этого же поля. Поэтому, следует помнить, что правильный расчет площади для отбора проб играет важную роль для расчета урожайности.

На рисунке 36 иллюстрирован результат того, что происходит, если использовать один и тот же размер площади для отбора проб и расчета урожайности независимо от метода посева и от условий поля. На этом примере площадь для отбора проб урожая составляет квадрат размером 1 м². На посевах пшеницы с междурядьем 20 см для отбора проб можно использовать данный подход, потому что каждый квадрат площадью 1 м² охватывает одинаковое число рядов пшеницы. В посеве с расстоянием междурядий 75 см, такой подход не соответствует методики, так как в каждом квадрате при повторениях может размещаться разное количество рядов и растений. Если квадрат охватывает один ряд посева, то результат урожайности будет заниженным, а если попадут два ряда – то результат будет повышенным. Таким же образом, в третьей части рисунка, где пшеница посеяна на гребнях в два ряда, квадрат размером 1 м² может охватить 2 ряда или четыре ряда, что приведет либо к занижению, либо к завышению урожайности.

 

Определение урожайности зерна

Эту методику можно применять к любой зерновой культуре.

Материалы и оборудование

• Приборы и оборудование для уборки урожая зерновых (коса, серп, комбайн и т.п.);
• 1 большой мешок на делянку;
• 1 конверт на делянку;
• Весы;
• Маркер;
• Сушильный шкаф;
• Полевой журнал и карандаш;
• Карта опытного участка или поля фермера.

Подготовка

Промаркируйте мешки, указав соответствующую информацию (название опыта, номер участка и сезон возделывания культуры). Прикрепите одну этикетку на мешок и положите дополнительную этикетку в мешок.

Проверьте, чтобы материалы и оборудование были в рабочем состоянии, в необходимом комплекте и готовы к использованию.

Сбор данных (см. иллюстрацию на рисунке 37)

1. Определите площадь, с которой будет убираться урожай для учета. Запишите ширину и длину уборочной площади в столбиках под названием «Ширина» и «Длина» в приведенной ниже таблице;
2. Соберите весь урожай зерна с определенной площади. Для этого необходимо скосить растения с определенной площади и обмолотить зерно. При необходимости, очистите собранный урожай, затем взвесьте все зерно и запишите результаты в столбике под названием «Общий вес зерна»;
3. Возьмите навеску зерна весом приблизительно 200 г и поместите его в промаркированный конверт. Взвесьте эту навеску и запишите его вес в столбике «Сырой вес зерна». Эти данные будут служить для определения содержания влаги в собранном зерне;
4. Поместите навеску в сушильный шкаф при температуре 75°С на 48 ч или до тех пор, пока не будет достигнут постоянный сухой вес зерна. Взвесьте его и запишите результат в столбике «Сухой вес зерна»;
5. Отберите 200 зерен для другой навески и поместите их в небольшой конверт. Не считайте - поврежденные и дробленные зерна. В навеску зерен следует включать все зерна, какие попадают, а не выбирать те, которые выглядят лучше. Просушите навеску зерен в сушильном шкафу при температуре 75° С в течение 24 ч или до тех пор, пока они не станут полностью сухими. Взвесьте вес зерен и запишите результат в столбик «Вес 200 г зерна».

Расчеты

Во-первых, определите площадь, с которой был отобран образец урожая для расчета урожайности:

Для определения выхода сухой массы, определите содержание влаги в «Общем весе зерна»:

Затем можно рассчитать выход сухой массы в кг/га:

Затем можно рассчитать урожайность при любом уровне влажности, например, 12%:

Выход сухой массы

На основе веса 200 зерен можно рассчитать вес одной тысячи зерен и число зерен на 1 м²:

Определение урожая биомассы кормовых культур

Этот порядок расчета может применяться к любой кормовой культуре.

Материалы и оборудование

• Приборы и оборудования для уборки растений, например, серп, коса и т.п.;
• Веревка для связывания растений (для растений больших рамеров, например для кукурузы);
• 1 большой мешок для каждой делянки (для мелкозерных культур, например, для ячменя и люцерны);
• Большой бумажный мешок (крафт-мешок) для каждой делянки (вместимость 1 кг образца зерна);
• Весы;
• Маркер;
• Сушильный шкаф;
• Полевой журнал и карандаш;
• Карта опытного участка или поля фермера.

Подготовка

• Промаркируйте мешки с указанием соответствующей информации (наименование опыта, участка и сезон возделывания культур). Прикрепите одну этикетку на мешок и положите дополнительную этикетку внутри мешка;
• Проверьте, чтобы материалы и оборудование были в хорошем состоянии, в комплекте и готовы к использованию.

Сбор данных (см. иллюстрацию на рис. 38)

1. Определите площадь, с которой будет убираться урожай для учета. Запишите ширину и длину уборочной площади в столбиках под названием «Ширина» и «Длина» в приведенной ниже таблице;
2. Соберите все растения (соберите всю надземнюю биомассу) с определенной площади;
3. Взвесьте свежую биомассу (запишите результат взвешивания в столбике «Общий вес сырой биомассы»). Если необходимо, нарубите растения (например, кукурузу). В процессе рубки не потеряйте листья, так как это может повлиять на результат последующего анализа;
4. Возьмите навеску измельченных растений весом примерно 1 кг, взвесьте и запишите вес в столбце «Сырой вес навески»;
5. Высушите навеску в сушильной печи при температуре 75°С в течение 48 ч или до тех пор, пока он не приобретет постоянный вес. Взвесьте сухой вес и запишите результат в столбике «Сухой вес навески».

Расчеты

Сначала определите площадь (м²) с которой был отобран образец для расчета урожайности:

Для расчета урожая сухой биомассы, в первую очередь определите содержание влаги и запишите результат взвешивания в столбике «Общий сырой веснавески»:

Чтобы рассчитать выход сухой биомассы, сначала определите содержание влаги в общем сыром весе:

Затем можно рассчитать выход сухой биомассы в кг/га:

Определение урожайности зерна и структуры урожая
Зерновые колосовые культуры: Шаг 1 – Получение и учет данных по биомассе

Измерения проводятся примерно через 10 дней после наступления созревания урожая.

Материалы и оборудование

• 1 большой бумажный мешок (крафт-мешок) для каждой делянки;
• 1 конверт для каждой делянки;
• Серп или ножницы;
• Весы;
• Сушильный шкаф;
• Маркер;
• Зерновая молотилка для обмолота целого растения;
• Полевой журнал и карандаш;
• Карта опытного участка или поля фермера.

Подготовка

• Промаркируйте мешки с указанием соответствующей информации (наименование опыта, участка и сезон возделывания культур); 
• Проверьте, чтобы материалы и оборудование были в хорошем состоянии, в комплекте и готовы к использованию.

Сбор данных (смотрите иллюстрацию на рис. 39)

1. Вне площади, откуда отбирались образцы урожая, методом случайной выборки и при помощи серпа или ножниц выберите пять снопов стеблей растений. Методом случайной выборки выберите 10 стеблей из каждого снопа. В общей сложности выберете 50 стеблей; 
2. Поместите 50 стеблей в большой, заранее промаркированный и этикетированный бумажный пакет. Убедитесь, что не потеряли ни одно зерна, стебля или листа во время этого процесса, так как это может привести к изменению результатов;
3. Поместите мешок, содержащий 50 стеблей, в сушильный шкаф при температуре 75°С на 48 ч или до тех пор, пока не будет достигнут постоянный сухой вес. Взвесьте и запишите результаты в колонке «Сухой вес 50 стеблей» в таблице для учета данных; 
4. После взвешивания стеблей, обмолотите их в молотилке для целого растения, чтобы отделить зерна от соломы. Храните обмолоченную солому в мешке, если вы хотите проанализировать солому;
5. Поместите зерно в конверт и сушите его в сушильном шкафу в течение 24 ч при температуре 75°С, взвесьте их, чтобы определить общий сухой вес и запишите результаты в столбец «Вес зерна с 50 стеблей».

Зерновые колосовые культуры: Шаг 2 – Получение и учет данных по урожаю

Эта процедура выполняется во время уборки урожая.

Материалы и оборудование

• 1  большая сумка из ткани (такая, какие используются на рынках) или один мешок на делянку;
• Идентификационные этикетки для каждого мешка;
• 1 большой мешок на делянку;
• 1 небольшой конверт на делянку (чтобы вместилось 200 зерен);
• Экспериментальный зерноуборочный комбайн или серп и u-образный квадрат для агрономических или фитогеографических исследований (обычно с размерами сторон по 1 м); 
• Сушильный шкаф;
• Весы;
• Маркер;
• Полевой журнал и карандаш;
• Карта опытного участка или поля фермера.

Подготовка

• Промаркируйте мешки с указанием соответствующей информации (наименование опыта, участка и сезон возделывания культур). Прикрепите одну этикетку на мешок и дополнительную этикетку положите внутри мешка;
• Проверьте, чтобы материалы и оборудование были в хорошем состоянии, в комплекте и готовы к использованию.

Сбор данных (смотрите иллюстрацию на рис. 40)

При использовании зерноуборочного комбайна. Предпримите меры, чтобы при уборке потери зерна были минимальными. Соберите весь урожай зерна, убранного с определенной площади, и поместите его в мешок. Очистите зерно при помощи зерноочистительной машины. При этом, необходимо регулировать скорость потока воздуха воизбежании потери зерна.

Если урожай убирается вручную: соберите все колосья с определенной площади, огородите эту площадь с помощью U-образного квадрата. Поместите колосья в большой мешок. Затем обмолотите и соберите зерно.

1. На поле: измерьте ширину и длину убранной площади, и запишите их в столбцах «Ширина» и «Длина» в приведенной ниже таблице; 
2. Взвесьте все зерно. Запишите вес зерна внизу в столбце «Общий вес зерна»;
3. Возьмите навеску (приблизительно 200 г) и поместите в конверт. Взвесьте навеску и запишите его вес в столбике «Сырой вес зерна». Эти данные необходимы для определения содержания влаги в зерне;
4. Поместите навеску в шкаф при температуре 75°С на 48 ч или до тех пор, пока не будет получен постоянный сухой вес зерна. Взвесьте навеску и запишите его вес в столбике «Сухой вес зерна».

Отсчитайте из навески 200 зерен и положите в маленький конверт. Не считайте поврежденные и дробленные зерна. В навеску зерен следует включать все зерна, какие попадаются, а не выбирать те, которые выглядят лучше. Просушите навеску зерен в сушильном шкафу при температуре 75°С в течение 24 ч или до тех пор, пока они не станут полностью сухими. Взвесьте вес зерен и запишите результат в столбик «Вес 200 г зерна».

Расчеты

На основе данных по 50 стеблям можно рассчитать коэффициент хозяйственной эффективности (Кхоз, процентное отношение массы урожая к полной массе растений):

Затем можно рассчитать выход сухой массы зерна:

Теперь можно рассчитать урожайность при любом уровне влажности, например при 12%:

 

Принимая во внимание, что Кхоз уже рассчитан, можно определить урожай биомассы и растительных остатков:

На основе массы 200 зерен можно рассчитать массу тысячи зерен и число зерен на 1 м²:

На основе данных по 50 стеблям можно рассчитать другие компоненты структуры урожая:

Помимо этого, если известно число дней с начала всходов до физиологической зрелости зерна (EM) и с периода цветения колоса до физиологической зрелости зерна (AM), можно рассчитать два дополнительных показатели урожая:

Кукуруза: Шаг 1 – Получение данных по биомассе и их учет

Эти измерения проводятся примерно через 10 дней после созревания растений.

Материалы и оборудование

• Один большой бумажный пакет (крафт-мешок)/мешок) для каждой делянки;
• 1 конверт для каждой делянки;
• Веревка, чтобы связать снопы растений;
• Серп;
• Весы;
• Маркер;
• Сушильный шкаф;
• Нож для срезания стеблей;
• Молотилка (или оборудование для ручного обмолота початков);
• Полевой журнал и карандаш;
• Карта опытного участка или поля фермера.

Подготовка

• Промаркируйте мешки с указанием соответствующей информации (наименование опыта, участка и сезон возделывания культур). Прикрепите одну этикетку на мешок и дополнительную этикетку положите внутри мешка;
• Проверьте, чтобы материалы и оборудование были в хорошем состоянии, в комплекте и готовы к использованию.

Сбор данных (смотрите иллюстрацию на рис. 41)

1. Срежьте 10 растений, выбранных методом случайной выборки, высотой приблизительно от 10 до 15 см от земли и за пределами участка, где брали образцы для определения урожая;
2. Срежьте только початки, и оставьте листовую обертку початка на стебле;
3. Положите початки в бумажные мешки, поместите их в сушильный шкаф при 75°С на 48 ч или до тех пор, пока не будет достигнут постоянный сухой вес;
4. Взвесьте высушенные початки (запишите вес в столбике «Вес початков в сухом состоянии» в таблице для учета);
5. Обмолотите початки и взвесьте сухое зерно (запишите вес в столбике «Вес зерна в сухом состоянии»);
6. Взвесьте 10 свежих растений без початков (запишите вес в колонке «Общий вес растений в сыром состоянии без початков»). Возьмите пять случайных растения и нарежьте их с помощью ножа для срезания стеблей. Не потеряйте листья в процессе работы, так как это может изменить результаты;
7. Возьмите навеску из нарезанных растений (около 1 кг), взвесьте ее (сырой вес) и запишите результат в столбике «Навеска, сырой вес» растений без початков;
8. Положите навеску в сушильный шкаф при 75°С на 48 ч или до тех пор, пока не будет достигнут постоянный вес, взвесьте его и запишите данные в колонке «Сухой вес навески» растений без початков.

Урожайность кукурузы: Шаг 2 - Получение и учет данных по урожаю

Эта процедура выполняется во время уборки урожая.

Материалы и оборудование

• 1 Большая тканевая сумка (такая, которые используют на рынках) или один мешок на делянку;
• Этикетки для обозначения; 
• Дефолиатор;
• 1 большой конверт на делянку;
• 1 небольшой конверт на делянку (на 200 зерен);
• Полевой журнал и карандаш;
• Карта опытного участка или поля фермера.

Подготовка

• Промаркируйте мешки с указанием соответствующей информации (наименование опыта , участка и сезон возделывания культур). Прикрепите одну этикетку на мешок и дополнительную этикетку положите внутри мешка;
• Проверьте, чтобы материалы и оборудования были в хорошем состоянии, в комплекте и готовы к использованию.

Сбор данных (смотрите иллюстрацию на рис. 42)

1. Определите площадь, с которой будет убираться урожай для учета. Запишите ширину и длину уборочной площади в столбиках под названием «Ширина» и «Длина» в приведенной ниже таблице (приложение IV);
2. Соберите все початки с определенной площади;
3. Если находитесь в местности, где повреждение початков насекомыми или болезнями является распространенным, то можете подсчитать число початков в хорошем и плохом состоянии и записать в столбцах «Количество хороших початков» и «Количество плохих початков»;
4. Удалите листовые обёртки початков кукурузы при помощи дефолиатора. При необходимости, положите початки на солнце, чтобы высушить и легко обмолотить;
5. После высыхания, взвесьте все початки (запишите данные в столбике «Общий вес початков»);
6. Обмолотите початки и взвесьте зерно (запишите данные в столбике «Общий вес зерна»);
7. Возьмите навеску (примерно 200 г), взвесьте его и запишите результат в столбик «Навеска, сырой вес». Затем высушите в сушильном шкафу при температуре 75°С в течение 48 ч или пока образцы не достигнут постоянного сухого веса;
8. Взвесьте массу сухой навески и запишите результаты в столбике «Навеска, сухой вес».
9. Отсчитайте 200 зерен по методу случайной выборки и положите их в конверт. Не учитывайте поврежденные и дробленные зерна. В образец зерен следует включать зерна методом случайного отбора, а не выбирая те, которые выглядят лучше. Просушите их в сушильном шкафу при температуре 75°С в течение 24 ч. или до тех пор, пока они полностью не высохнут, взвесьте их и запишите вес в столбик «Вес 200 зерен».

Расчеты

На основе данных, полученных по 10 растениям, можно вычислить Кхоз. Сначала необходимо определить сухой вес 10 растений на основе содержания влаги в навеске растений без початков.

Кроме того, можно рассчитать соотношение зерна и кочерыжки в кукурузном початке:

Затем можно рассчитать урожай зерна и биомассы с использованием той же процедуры:

Теперь можно рассчитать урожайность зерна для любого уровня влажности, например, 12%:

Можно также рассчитать урожайность растительных остатков и кочерыжек кукурузных початков:

Зная вес 200 зерен можно рассчитать вес тысячи зерен и число зерен на 1 м² (зерен/м²) так же, как и в предыдущих примерах:

Зная число хороших и плохих початков и данные по 10 растениям, можно рассчитать и другие компоненты:


Приложение I: Примеры расчета урожайности и компонентов урожая

В данном примере представлены расчеты урожайности и компонентов структуры урожая в опытах с мягкой пшеницей, проводимых СИММИТ в Эль-Батане (Мексика). Для упрощения процедур расчета использовалась стандартная программа Excel, которая позволяет вычислить все компоненты урожая согласно введенной формулы для расчета.

\

Расчеты для кукурузы несколько отличаются и описаны ниже на основе полученных данных с другого опыта. Расчеты, идентичные приведенным выше примерам по пшенице, были опущены.

Приложение II: Важные факторы для учета и/или измерений в агрономических экспериментах

Помимо описанных выше показателей урожая и компонентов структуры урожая, существуют и другие элементы, на которые необходимо уделить внимание и собрать данные, чтобы можно было сравнить приемы агротехники или сортов в полевых опытах. Список наиболее важных данных приводится ниже:

• Дата посева;
• Дата получения 50% всходов22: день, в который взошли 50% семян. Как правило, достаточно визуальной оценки, поскольку всходы обычно появляются довольно равномерно. Однако когда требуются точные учетные данные, например, при изучении глубины заделки семян, то методом случайной выборки учет ведут на отмеченных при посеве 2-х рядах длиной примерно 1 м в каждой делянке. Начиная со дня появления первых всходов производится ежедневный подсчет числа появившихся растений, до тех пор, пока число растений останется постоянным в течение нескольких дней. Датой получения 50% всходов является та, на которую взошла половина конечного числа растений. Средний показатель всхода растений на двух рядах длиной по 1 м считается датой появления всходов на делянке;
• Даты и количество всех внесений удобрений, и способы их применения;
• Даты поливов, количество и время поливов по фазам развития растений;
• Густота стояния растений при всходах (как правило, через 15-20 дней после начала появления всходов):
  – При некоторых условиях (например, когда кущение не может компенсировать слабую густоту стояния растений), общее число растений может оказывать значительное влияние на урожайность, усложняя обоснование эффекта обработки;
  – Для зерновых колосовых культур, таких как пшеница, ячмень, овес, рис и т.д., необходимо проводить несколько учетов взошедших растений на рядке длиной от 50 см до 100 см;
  – При посеве на ровной поверхности: площадь для учета растений = Длина рядка для подсчета растений x ширина рядка;
  – При посеве на гребнях:

– Необходимо провести, по крайней мере, 3 подсчета на каждой делянке.

• Общее число растений озимой пшеницы весной (после зимовки):

– Учет проводится также, как и определение числа растений при всходах (представляет информацию о том, как изменилось число растений в течение зимы или же, сколько растений погибло в течение зимы). 

• Дни от всходов до начала цветения:
  – У зерновых злаковых культур, цветение наступает тогда, когда примено 50% стеблей формируют колосья, и, по крайней мере, появляется один пыльник;
  – Для таких культур, как кукуруза, цветение наступает тогда, когда минимум 50% метелок образуют, по крайней мере, один пыльник: вымётывание пестичных столбиков происходит, когда как минимум 50% початков обвернутых листьями на верхушке имеют длинные пестичные столбики («кукурузный шелк»).
  • Высота растений:
  – Измерения проводятся, по меньшей мере, у 5-10 случайно выбранных растений на каждой делянке;
  – У зерновых колосовых культур, измеряется расстояние до верхней части колоса / метелки, не включая остей;
  – У кукурузы измеряется расстояние до кончика метелки.
  • Измеряют также высоту, на которой прикреплен початок на стебле, число дней от всходов до наступления физиологической зрелости:
  – У зерновых колосовых культур физиологическая зрелость наступает, когда минимум 75% колосьев / метелок и цветоножки потеряли свой зеленый цвет;
  – У кукурузы физиологическая зрелость наступает, когда 75% початков имеют зерно, сформировавшее черный слой между зерном и кочерыжкой на початках.
  • Число дней для налива зерна = число дней до физиологической зрелости – число дней до цветения;
  • Устойчивость к полеганию в баллах:
  – Наиболее распространенным методом оценки устойчивости к полеганию в баллах для злаковых колосовых культур (визуальная оценка посева от 1 до 5 баллов)
  – 1 = нет полегания;
  – 2 = 25% полегания;
  – 3 = 50% полегания;
  – 4 = 75% полегания;
  – 5 = 100% полегания.
  • У кукурузы подсчитывают число полегших растений на учетную площадь урожайности;
  – Указывается причина полегания растений, например, из-за корневой гнили или из-за поломки стебля или ствола растений;
  – Поскольку растения, растущие по краям поля, как правило, формируются лучше, чем те, которые растут внутри делянки, то учет необходимо вести на той части участка, из которой будет отбираться образец для определения урожайности;
  – Необходимо также отметить угол расположения полегшей культуры. Обычно, полегшие растения располагаются под углом 90°. Иногда полегшие растения могут снова расти и подниматься. Это необходимо отметить в полевом журнале и указать угол полегания.
  
  • Дата уборки урожая;
  • Имея вышеперечисленную информацию, можно вычислить следующее:
  – Интенсивность производства биомассы = Общая урожайность биомассы / число дней до физиологической зрелости;
  – Интенсивность производства зерна за вегетационный сезон = урожайность зерна / число дней до физиологической зрелости;
  – Интенсивность производства зерна в период налива зерна = урожайность зерна/дни налива зерна;
  – Интенсивность налива початка (мг/початок/день = вес тысячи зерен/дни налива зерна.

Приложение III: Порядок определения натурного веса зерна

Натурный вес зерна является важным параметром качества для зерновых колосовых культур, который относительно легко измерить.

• Весы;
• Тара объемом 1 л;
• Воронка с затвором;
• Полевой журнал и карандаш;
• Стержень.

Сбор данных

1. Взвесьте однолитровую емкость на весах;
2. Проверьте, чтобы основание аппарата было установлено ровно;
3. Поместите контейнер под воронкой установите воронку над центром контейнера;
4. Ниже поместите поддон, чтобы собрать оставшуюся часть зерна;
5. Заполните воронку зерном;
6. Откройте затвор воронки пока контейнер не заполнится;
7. Уберите избыток зерна, перемещая стержень над контейнером зигзагообразным движением;
8. Взвесьте контейнер с зерном.

Важные замечания

• Выполнять эту процедуру необходимо только с чистым зерном;
• В случае, если урожай с делянки является недостаточным для заполнения 1-литровой емкости, то можно использовать меньшую по размеру тару объемом на 0,5 или 0,25 литров. При этом полученный результат умножается на 2 или 4, соответственно, для получения веса зерна, помещающегося в 1 литровой емкости;
• Стержень должен иметь закругленные края, а не квадратные.

Расчет


ПРИЛОЖЕНИЕ IV: Образцы полевых журналов для ведения учета