Agrotill

Введение

Технология No-Till представлена в большинстве стран Америки как земледельческая система по управлению почвенными ресурсами с применением высокотехнологичных методов сохранения почв для преодоления серьезных проблем с эрозией в регионе.

На ферме Чекен (Chequen), расположенной в прибрежных районах центральной части Чили спустя 26 лет после посевных работ без применения плуга наблюдаются существенные изменения в структуре и уровне плодородия старых эродированные почв. Эти изменения произошли благодаря увеличению содержания органических веществ почвенном профиле. Увеличение органических веществ в почвах альфисоль фермы Чекен (Chequen) было связано с параллельным увеличением урожайности в разных севооборотах: пшеницы, ржи, тритикала, кукурузы, сои, люпина и пастбищном севообороте. Именно этот севооборот повлиял на образование стерни на почвенной поверхности.

Орошаемая кукуруза и пшеницы в засушливых регионах ежегодно оставляет 12 тонн/га стерни на поверхности почвы при правильной обработке земли. Ежегодное увеличение органических веществ составляет 0.2%, которые первоначально располагаются на почвенной поверхности, а в дальнейшем - в нижележащих горизонтах, обеспечивают соответствующее питание для этого слоя и способствуют формированию микробиологической и эндемической мезофауны в данной зоне. Усиленная биологическая активность увеличивает содержание органического углерода и составляющих гумуса.

В севообороте кукуруза-пшеница самый большой объем фиксированного углерода находился в первом почвенном слое (5 см), на уровнях 5-10 и 10- 20 см его объем уже меньше. Это сравнивается с севооборотами люпин-пшеница и люпин-прерии. Баланс углерода в севообороте кукуруза-пшеница показал повышенное содержание гумусовых составляющих, таких как фульвокислоты и гумусовая кислоты плюс гумин в почвенном слое 5 см по сравнению с другими севооборотами. Однако в почвенном слое на глубине 5- 10 см и 10- 30 см содержание этих веществ больше, чем в почвенном горизонте на глубине 5 см. В севообороте кукуруза-пшеница отмечается более высокое содержание углерода по сравнению с севооборотом пшеница-люпин и пастбище.

Углеродный цикл

Углеродный цикл является жизненно важным для жизнедеятельности почв. Углерод представляет собой существенную часть клеточной структуры большей части животной и растительной биомассы в почве. При фотосинтезе происходит синтез углерода в клетках растения путем поглощения углекислого газа (CO2) из атмосферы. Растения получают энергию солнечного света через хлоропласты, которые содержат хлорофилл: эта «зеленая фабрика» богата углеводородами, липидами и белком, которые являются основой жизни на планете. Растения поглощают углекислый газ CO2 и выделяют в атмосферу молекулярный кислород (O2), поддерживая тем самым газовый баланс. Почвенный органический углерод играет важную роль, так как является важной частью органических веществ и основным составляющим углеводородов, состоящих из углерода (C), hydrogen (H) and oxygen (O).

Оставленная на поверхности почвы стерня (пожнивные остатки) начинают разлагаться, как только содержание воды и уровень температуры достигнет оптимального уровня. При запаханной стерне и влажной почве, которая достаточно насыщенна кислородом, происходит быстрое окисление внесенных в почву органических веществ, так как микроорганизмы получают максимальное питание от стерни. Этот феномен приводит к быстрой потере почвенного углерода, который высвобождается в атмосферу в виде углекислого газа (CO2). Еще одна форма потери углерода может возникнуть при анаэробных условиях, когда образуется газ метан (CH4). Выделение этих парниковых газов связано с процессом глобального потепления.

Окисление органических веществ начинается, когда пожнивные остатки первоначально подвергаются воздействию целлюлотических грибков, а затем всеми видами микроорганизмов почвенной мезофауны. При таких условиях быстрое разложение органических веществ, вызванное вспахиванием поверхности почвы, разлагает растворимые углеводороды и компоненты гумуса с низким молекулярным весом, которые являются не очень устойчивыми. Этот быстрый распад и высвобождение CO2 препятствует формированию углерода в почвенном профиле.

На Мировом Конгрессе по Охране Окружающей Среды, который проходил в Бонне (Германия) в июне 1998 года, констатировалось, что уровень CO2 в атмосфере в 1850 г. составлял 280 промилле, а в 1997 г. доходил уже до 365 промилле. В настоящее время ежегодное увеличение CO2 в атмосфере составляет 1.5 промилле. Такое увеличение содержания CO2 могло частично быть причиной опустошительных природных воздействий в областях El - Nino и La - Nina .

Неправильная практика ведения лесного хозяйства, постоянные пастбища вместе с традиционными методами земледелия, применяемыми во всем мире, приводят к постоянному окислению органических веществ и выделению CO2 в атмосферу, что во многом способствует процессу глобального потепления на планете. Выделения углерода в атмосферу составляют 50% парникового эффекта в сравнении с другими газами. (Д. Рейкоски, личная беседа)

Эти пастбища, которые существовали в течение многих лет, разрушили почвенную структуру. Почвы лесов, постоянных пастбищ и сельскохозяйственных земель истощились в связи с нехваткой органических веществ. Эта истощенность почвы и подвергает почву губительным процессам эрозии, приводя к уменьшению урожайности выращиваемых культур.

Питание почвы

Биологическая структура почв состоит из многообразных микроорганизмов и мезофауны, у которых есть ежедневная потребность в питании и энергии. Эти малые организмы занимаются формированием почвы, обогащают ее гумусовыми веществами и постепенно приводят к увеличению плодородия почвы.

Почва с большой биологической активностью обладает большей способностью к формированию гумусовых компонентов. Причиной этому является большое количество биологических экскрементов (выделений) в метаболическом цикле почвенных организмов. Сохранение стерни на почвенной поверхности обеспечивает постоянный процесс обновления и размножения почвенной фауны, не повреждая структуру почвы. Всякий раз, когда вы меняете эти условия и применяете пахотную обработку, вы можете причинить вред биологии почв и нарушить их плодородие.

Органический углерод является жизненно важным компонентом почвенной биологии. Чтобы гарантировать, что почва поддерживает свою биологическую активность, фермерам необходимо оставлять стерню на почвенной поверхности.

Фермер, который сеет без применения пахоты, может собирать урожай (как зерна, так и соломы) дважды. Фермер должен запомнить следующие ключевые слова: «зерно - для человека, стерня - для почвы». Оставление стерни на почвенной поверхности помогает восстанавливать почвенный углерод, и это является своего рода платой почве за выращенное зерно. Сами удобрения только питают растения, но не насыщают почву (Crovetto, 1996).

Сегодня жизнедеятельность растений основана в большей части на разных внесениях в почву, которые делает фермер. Фактически в большей части мира фермерам приходится снабжать почву практически в семи питательными веществами, необходимыми для выращивания зерновых. Это становится необходимым, когда почва истощила все свои природные запасы питательных веществ, ведь фермеры питают растения, а не почву.

Подходящее питание почвы увеличит содержание органических веществ и соответственно гумуса.

Несмотря на свои маленькие размеры (менее 0.002 мм), гумус обладает сильным отрицательным электрическим зарядом, который увеличивает катионообмен (CEC) почвы. Это естественное свойство улучшает плодородие почв, так как катионообмен увеличивает удержание полезных катионов для питания растений, таких как кальций (Ca++), магний (Mg++), калий (K+), натрий (Na+) и аммиак (NH4+). Это уменьшает риск потери этих основных катионов при выщелачивании.

Гумус и кальций, объединяясь в почве, создают очень важный химический компонент для усиления питания почв. Кальций (Ca++), в кислых почвах может заместить ионы водорода (H+). Это улучшает показатель концентрации ионов водорода (рН) в почве, что способствует лучшему питанию растений. Гумус увеличивает негативный заряд почвы, удерживая полезные обменные катионы. Без наличия гумуса и кальция в почве земледелие не может быть продуктивным (Garc i a and Garc i a, 1982).

Важным фактором является также количество стерни, оставленной на почве, а также качество стерни, которое влияет на биологию почв. Не вся стерня имеет одинаковую ценность для питания почвы . Важно учитывать содержание лигнина в стерне . Лигнин отвечает за формирование гумуса . Наиболее приемлемыми типами стерни, которые способствуют формированию гумуса, является стерня таких зерновых культур как: тритикале, рожь, пшеница, овес, рис и лесной опад.

При применении различных видов стерни на ферме Чекен (Chequen), большое содержание лигнина было обнаружено в стерне сои (11.9 %). Однако объем биомассы, получаемый от этого вида злаковых, незначителен. Стерня пшеницы также важна для формирования почвенной биологии, так как содержит 9.3% лигнина (таблица 1).

Севооборот кукуруза-пшеница на ферме Чекен является наиболее эффективным для выработки гумусовых составляющих.

Таблица 1
Состав стерни на ферме Чекен (Чили)

Описание стерни	Растворимые углеводороды	Целлюлоза	Гемицеллюлоза	Лигнин
Солома кукурузы с листьями без початков	5,1	43,2	26,7	8,4
Солома сорго без семян	1,5	35,7	25,0	4,6
Солома сои с листьями и стручками без зерна	2,2	39,2	12,6	11,9
Солома пшеницы с листьями и колосьями без зерна	4,1	49,1	23,9	9,3
Солома тритикале с листьями и колосьями без зерна	7,0	45,5	24,2	8,6

Технология No-till с оставлением стерни на почвенной поверхности увеличивает почвенную биологическую активность формируя микро и макро поры в почвенном профиле. Эти поры обеспечивают аэрацию почвы, которая необходима для роста растений. Корни растений также создают большое количество каналов в почвенном профиле, обеспечивают инфильтрацию воды в почву, улучшая тем самым водообеспеченность растений. Каналы, создаваемые в почвенном профиле при применении методов No-Till, обычно богаты гумусом, который может впитывать воду в количестве, превышающем собственный вес в 15 раз.

Стерня - важный источник углерода и соответственно гумуса. Использование гумуса отличается при разном гранулометрическом составе почвы. Почвы, содержащие большое количество таких почвенных частиц, как песок, требуют значительно большее количество стерни для создания гумусовых составляющих, чем мелкозернистые глинистые почвы. В соответствии с исследованием Fuentes (1994), ежегодная минерализация гумуса в суглинках составляет 1.3%. Это указывает на то, что гумусовая замена составляет 620 кг гумусовых составляющих на гектар, что эквивалентно 2,550 кг стерни на гектар, так как изогумусный коэффициент для соломы пшеницы равен 0.22 (определяется как количество гумуса, образованное из единицы веса пожнивной стерни). Это означает, что если мы хотим увеличить содержание органических веществ в почве, нам необходимо добавить количество превышающее 2,550 кг соломы/га.

Не все виды стерни и органических компонентов имеют сходный изогумусный коэффициент. Стерня, которая способствует образованию большего количества гумуса в почве, имеет значительно разнящееся соотношение углерода к азоту. Чем ниже содержание азота в стерне, тем больше способность к увеличению гумусовых составляющих. Однако, добавка азота к стерне при большом соотношении C:N будет благоприятной. В данном случае содержание лигнина в стерне обеспечит лучшее качество гумуса, выраженное в гумине.

Стерня зерновых культур имеет большое значение в формировании гумуса почвы, так как она может составлять до 20% сухого веса. Навоз домашних животных составляет только 10% сухого веса в гумусных материалах. Навоз менее устойчивый к внешним условиям, поэтому он разлагается быстрее ( Fuentes, 1994).

Незначительный процент гумуса в навозе связан с пищеварительной системой жвачных животных. Содержание углерода, особенно в стерне, биологически более низкое из-за воздействия комплексной анаэробной

ферментно-пищеварительной системы. По этой причине содержание гумусовых материалов в навозе практически ничтожно и это в основном связано с питанием почвы, а не с питанием растений.

Навоз домашних животных добавляется на почвенную поверхность сразу после его выделения. Чем быстрее навоз будет внесен в почву, тем больше доступность питательных веществ для почвы и/или для растений. Потери углерода, азота и других полезных компонентов вследствие выщелачивания или газообразной конверсии будут прямо пропорциональны времени, которое прошло с момента выделения навоза до его внесения на почвенную поверхность. Навоз добавляется на почвенную поверхность перед дождем или орошением предпочтительно при более низких температурах. Потери при газификации аммиака ( NH3 ) в навозе при внесении на почвенную поверхность несущественны по сравнению с потерями углерода и повреждением почвенной структуры при применении пахотной обработки почвы. Непосредственная добавка свежего навоза в соотношении 100- 200 кг извести (CaCO₃) на тонну навоза может предотвратить потери аммиака.

Основные компоненты органических веществ

Почвенные органические вещества состоят из многочисленных компонентов, содержание азота и углеводорода у которых, а также клетчатки и минералов способствуют развитию целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Этот порядок разложения (декомпозиции) необязательно сравним с процессом, проходящим у млекопитающих, особенно у жвачных животных.

Целлюлоза. Главным компонентом в создании гумуса почвы является целлюлоза, которая составляет около 50-70% сухого вещества стерни. Целлюлоза образуется с помощью длинной цепочки молекул глюкозы ( C6H12O6) и постепенно гидролизируется при естественных природных условиях. (Rosell, 1997. личная беседа).

Гемицеллюлоза является полисахаридом, который медленно гидролизируется при кислой реакции, когда целлюлоза вырабатывает пентозаны, которые распространяются и аккумулируются в почве. (Rosell , 1997. личная беседа).

Лигнин является предшественником более устойчивого к биодеградации гумусного материала - гумина. Гумин образуется из молекул замещенного фенилпропана. Это вещество образует устойчивую трехразмерную структуру из природных и биологических агентов. Ферменты и другие механизмы деполимеризации (гидролиз, окислительно-восстановительный процесс и проч.) способствуют декомпозиции лигнина и его гумификации (Rosell, 1997. личная беседа).

Составляющие гумусового вещества. Гумус - это общее название для особых форм углерода, он представлен в почве в форме фульвокислот, гиматомелановых кислот, гумусовой кислоты и гуминов (Labrador, 1996). Гумус обладает очень важным свойством: это вещество обладает отрицательным результирующим зарядом, который больше, когда гумус состоит из мелких частиц. Гумусовые частички не всегда можно классифицировать в соответствии с химическим составом органических материалов, но может быть классифицирован по молекулярному весу и реакции на кислоту, щелочь и спирт.

Таблица 2
Подвиды гумусового вещества

Фракция	Щелоч	Кислота	Спирт
Фульвокислота	Растворимая	Растворимая	-
Гиматомелановая кислота	Растворимая	Нерастворимая	Растворимая
Гуминовая кислота	Растворимая	Нерастворимая	нерастворимая
Гумин	Нерастворимая	Нерастворимая	Нерастворимая

Фульвокислота. Фульвокислоты отличаются своим относительно небольшим молекулярным весом и могут связываться с полисахаридами. Он растворяются при реакции щелочи с кислотой. Для увеличения содержания карбоновой кислоты, они обладают большой способностью разлагать природные минералы в почве. Это свойство сильно влияет на генезис. Анионные коллоиды могут создавать устойчивые комплексы с многовалентными катионами: Fe+++, Al+++, Cu++ и проч. (Labrador, 1996). Эта отличительная эдафическая функция уменьшает фиксацию фосфата в полуторной алюминиевой окиси.

Гиматомелановая кислота. Смесь гумусовых компонентов таких как фульвокислота и гумусовая кислота, растворимых в щелочи и спирте, дают гиматомелановую кислоту. (Labrador, 1996).

Гумусовая кислота. Гумусовые кислоты является основным гумусовым компонентом почвы. Они нерастворимы в кислоте и спирте и у них средний молекулярный вес. Это - тонкие плоские частицы, связанные друг с другом таким образом, что представляют собой сетчатый губчатый материал. (Labrador, 1996). Это - самая отличительная физико-химическая характеристика гумусовой кислоты, because так как она усиливает влагозадержание и обеспечивает сильный анионный заряд, который существенно улучшает процесс катионообмена. Гумусовая кислота регулирует окислительно-восстановительный процесс эдафической системы, снабжая кислородом корни растений.

Подобно фульвокислотам, гумусовые кислоты могут создавать сложные вещества, особенно посредством металлических ионов. По словам Шницера (Schnitzer) (упонянуто у Labrador), гумусовая кислота является основным фактором генезиса почвы, формирования хорошей почвенной структуры. Она также важна в агрохимикатах, контролирующих устойчивость почвенного профиля к деградации.(Labrador, 1996).

По нашему опыту работы с беспахотными почвами фермы Чекен, мы знаем, что гербициды имеют очень незначительный остаточный эффект. Гербициды истощаются в почве с активной физиологией и несомненно подвергаются воздействию гумусовых компонентов.

Гумин. Гумин - более устойчивый компонент почвы из-за своего большого молекулярного веса. Гумины не растворяются химическими агентами и остаются тесно связанными с минеральными коллоидами почвы (частицами глины). Это свойство, вероятно, и позволяет им надолго оставаться в почвенном профиле при неповрежденной почве. Структура гумина происходит из лигнина органических веществ, который образует уникальную структурную взаимосвязь.

Такие благоприятные условия наблюдались в почвах фермы Чекен после 20 лет посева без применения пахоты и боронования. Катионообмен почвы увеличился с 11 мг-экв./100 г до 26 мг-экв./100 г в течение этого периода.

Гумины являются наиболее благоприятными для почвы компонентами, а их устойчивость зависит от того, как фермер обрабатывает почву. Любой вид почвы при применении традиционного пахотного способа обработки будет стимулировать окислительно-восстановительные процессы и соответственно, влиять на стабильность всех составляющих гумина.

Технология No-Till или земледелие с применением прямого посева стимулируют формирование всех компонентов гумина, когда происходит постоянное добавление органических веществ в почву. Баланс углерода существенно выше при севообороте кукуруза-пшеница по сравнению с севооборотом пшеница-люпин и прерия-люпин, а особенно высоко содержание гумина. Баланс углерода на землях фермы Чекен объясняет, что содержание гумина, гумусовых и фульвокислот является максимальным в верхнем почвенном слое (5 см) при севообороте кукуруза-пшеница по сравнению с другими севооборотами. Это возникает благодаря большому содержанию стерни, которая способствует увеличению содержания органического углерода в почве. Севооборот кукуруза-пшеница дает возможность накопления в почве большого объема углерода, хотя только в верхнем почвенном профиле (5 см), как показано на графике 1

График 1. Баланс углерода в почвах фермы Чекен
Обозначение сокращений: CH = углеводороды; FA = фульвокислота; HA = гумусовая кислота; Hum = гумин
Выводы

Система прямого посева или No - Till технология улучшает питание почв, стимулирует почвенную биологическую активность, увеличивает содержание почвенных органических веществ и способствует формированию гумусовых частиц, которые улучшают физическое, химическое и биологическое состояние почв.

Питание почва получает от стерни, которую фермер оставляет на почвенной поверхности после сбора урожая. Это «плата», которую фермер должен «внести» за использование почвенных ресурсов. Питание почвы должно стать ежедневным процессом, так как это подразумевает постоянное нахождение стерни и растительных остатков на почвенной поверхности.

Стерня на поверхности почвы разлагается и создает гумусовые вещества в зависимости от соотношения C : N и от содержания лигнина. Лигнин участвует в формировании гумина и снабжает почву устойчивым гумусовым материалом. Фермер должен позаботиться не только о количестве стерни, оставленной на почвенной поверхности, но также и о качестве стерни. Стерня с большим содержанием углерода/азота является наиболее предпочтительной для почвы.

Карлос Коветто, Центр развития No-Nill (Чили).
Материалы Второго мирового Конгресса
по сберегающему земледелию, Бразилия, 2003 г.