Рис. 5. Тренд урожайности сена многолетних трав в зависимости

от элементов агроландшафта. 1981-2004 гг.

Реакция многолетних трав, как и других культур изучаемого зернотравяного севооборота, на степень эродированности почв была слабой. Более того, продуктивность культур на склоне крутизной 80, особенно в последние годы, часто даже превышала (в среднем на 5%) аналогичные показатели на менее эродированном склоне 40, что на первый взгляд явно противоречит устоявшимся на сегодняшний день представлениям в аграрной науке о процессах формирования урожая на смытых почвах.

Одним из главных факторов, влияющих на формирование микроклиматических особенностей ландшафтных структур, служит рельеф. Неравномерное распределение солнечной радиации по его элементам, а также режима увлажнения и является в нашем случае основной причиной слабой реакции культур на степень эродированности почв и несущественных различий по склонам показателей урожайности. Поэтому рассмотрение в целом процессов роста и развития растений на склоновых землях подверженных эрозии, и решение этой чрезвычайно сложной задачи требует изучения всех факторов продуктивности, а не только почвенных. Учет форм мезо- и микрорельефа при разработке систем земледелия на ландшафтной основе является одной из важнейших ее составных частей, необходимой для рационального, научно обоснованного размещения на полях выращиваемых культур.

8. Ресурсно-экологическая оценка эффективности почвозащитного земледелия на биоэнергетической основе

В данной работе нами использован специфический ресурсно-экологический метод оценки эффективности почвозащитного земледелия. Он разработан во Всероссийском научно-исследовательском институте земледелия и защиты почв от эрозии (Володин и др., 1999) и основан на учете системы показателей: энергопотенциала почвы и его изменений, количества ФАР, антропогенных затрат и др.

Одним из основных критериев ресурсно-экологической оценки служит энергетическая эффективность производства сельскохозяйственной продукции. На склоне крутизной 80, в условиях активного развития процессов эрозии, несмотря на самый низкий уровень аккумулированной энергии фитомассой пшеницы (135,6 ГДж/га), дискование почвы на глубину 6…8 см имеет наибольшую энергетическую эффективность производства ( 7,93 ед. Оптимизация природных и антропогенных потоков энергии, накопление и рациональное их использование при минимализации обработки эродированной почвы является одним из наиболее перспективных направлений, отвечающих требованиям энерго- и ресурсосбережения.

Различные приемы противоэрозионной обработки имеют большую эффективность применения на склонах повышенной крутизны. Производительность агроэкосистемы (АЭС) озимой пшеницы на единицу совокупного энергетического ресурса (КВП) на склоне крутизной 40 составила 88…102 КДж-день/ГДж. Те же противоэрозионные приемы на склоне крутизной 80 обеспечили более высокую биопроизводительность АЭС, которая достигла 98…104 КДж-день/ГДж, или в среднем на 5% выше, чем на склоне крутизной 40 (табл. 18).

18. Биоэнергетическая оценка возделывания озимой пшеницы

Вариант

обработки Затраты энергии,

ГДж/га Квп,

КДж-день/ГДж (вп iфар

ЕАсов ЕАне

Склон крутизной 80

Вспашка (контроль) 23,71 18,0 98 14,4 0,019

Вспашка + щелевание 24,72 19,2 104 15,4 0,021

Поверхностная 22,79 17,1 101 14,7 0,020

Склон крутизной 40

Вспашка (контроль) 23,66 18,0 101 13,6 0,021

Вспашка + щелевание 24,50 19,0 102 13,6 0,021

Поверхностная 22,54 16,8 88 11,8 0,018

__________________________________________

Примечание: ЕАсов ? совокупные затраты энергии на возделывание с/х культур, ГДж/га;

ЕАне ? затраты невозобновляемой энергии на возделывание с/х культур, ГДж/га;

КВП ? производительность АЭС на единицу совокупного энергетического

ресурса, КДж-день/ГДж;

(вп ? показатель направленности воспроизводства плодородия почвы;

iфар ? показатель использования энергии ФАР АЭС.

Исследованиями установлено, что в отличие от энергетической эффективности производительность АЭС озимой пшеницы имеет тенденцию повышаться при применении специальных противоэрозионных приемов. Среди изучаемых вариантов, несмотря на самые высокие затраты энергии, лучшие показатели производительности на единицу ресурсов имеет вариант вспашки со щелеванием. На склонах крутизной 8 и 40 этот показатель, определяемый отношением аккумулированной суммарной энергии АЭС озимой пшеницы за вегетацию к затраченным ресурсам, является максимальным и составляет 104 и 102 КДж-день/ГДж соответственно, с величиной использования энергии ФАР АЭС (iфар) ( 0,021 на обоих склонах.

Этот же вариант имеет и самый высокий показатель направленности воспроизводства плодородия эродированной почвы, который определяется отношением поступления энергии органического вещества в почву к расходу энергии через минерализацию. Если рассчитанный показатель (вп > 1 ( плодородие почвы считается расширенным. Например, показатель направленности этого процесса в условиях природной экосистемы луговой степи равен 22,3. В нашем случае на склоне крутизной 80 он составил 15,4, а на склоне крутизной 40 (13,6. Следовательно, применение вспашки со щелеванием обеспечивает расширенное воспроизводство плодородия почвы. Такую же позитивную направленность показывают и другие смоделированные нами противоэрозионные приемы основной обработки. При этом наиболее интенсивно эти процессы протекают на склоне крутизной 80. Это имеет весьма важное природоохранное значение, поскольку такие склоны экологически более уязвимы по отношению к неблагоприятному воздействию естественных и антропогенных факторов, чем склоны малой крутизны.

Высокие показатели направленности воспроизводства плодородия эродированных почв при возделывании озимой пшеницы обусловлены применением мульчирования. Энергосодержание пожнивных остатков и соломы составляет 17,15 Мдж/кг. Запашка половы и соломы из расчета в среднем около 7…7,5 т/га обеспечивает мощный резерв улучшения энергопотенциала почвы. Это напрямую отражается на полученных результатах биоэнергетической эффективности возделывания культуры. Применение мульчирования способствует более рациональному и производительному использованию как природного, так и антропогенного ресурсов, обеспечивая тем самым эффективное и, что очень важно, намного более интенсивное восстановление плодородия почвы на склоновых землях подверженных процессам эрозии.

Проведенная ресурсно-экологическая оценка на примере возделывания озимой пшеницы свидетельствует о высокой эффективности применяемого комплекса агротехнических мероприятий. Спроектированные и освоенные в новых экологических условиях землепользования технологические схемы на основе отвальной, плоскорезной, поверхностной, щелевания, чизелевания и их комбинаций, с разной интенсивностью и глубиной обработки почв в зернотравяном севообороте в сочетании с мульчированием способствуют оптимизации энергетических потоков и расширенному воспроизводству плодородия эродированных почв склоновых земель.

Основные выводы и результаты

Современные колебания и глобальные изменения климата формируют новый природно-ресурсный потенциал территории Центрального Нечерноземья. Потепление зимних и усиление размытости переходных сезонов, увеличение продолжительности теплых и засушливости вегетационных периодов, нарастание теплообеспеченности территории и перераспределение атмосферных осадков в пользу холодных периодов года, а также общее значительное повышение экстремальности климатических и погодных условий оказывают важнейшее влияние на условия сельскохозяйственного использования склоновых земель южных экспозиций этого региона. На данном этапе развития они нарушают устойчивость агроэкосистем и их равновесие, вносят заметную дестабилизацию в процессы почвообразования, механизм управления продукционным потенциалом и общее функционирование эрозионноопасных агроландшафтов.

Устойчивое повышение приземных температур воздуха холодного периода года приводит к существенному изменению условий формирования, темпов и направленности процессов эрозии почв: глубины и степени промерзания, запасов воды в снежном покрове и продолжительности стока, сроков и особенностей снеготаяния. Сокращение в последние годы величины поверхностного стока талых вод на 24% не способствует улучшению экологической ситуации на склоновых землях, особенно малой крутизны, где эрозионные потери почвы выросли в 2,7 раза.

Потепление холодных сезонов и зимние температурные аномалии снижают интенсивность весеннего внутрипочвенного горизонтального стока в 1,6…2,2 раза. При этом нарушаются логические связи в теории эрозионных процессов между поверхностным и внутрипочвенным стоком. На его долю приходится от 0,26 до 2,01 мм, или менее 10% от суммарного объема стекающей со склонов влаги, с основным формированием (96%) на глубине 50 см. Возрастание уклона в 2 раза (с 4 до 80) увеличивает внутрипочвенный горизонтальный сток в 4…5 раз.

Потери подвижных форм основных элементов питания растений и других агрохимикатов с поверхностным стоком, как наиболее опасных в природоохранном отношении, в общем балансе составляют 34%, с максимальным смывом на склоне крутизной 80 при применении дискования ( 481,4 кг/га, в т.ч. NO3 ( 55,6; P2O5 ( 6,2; K2O ( 30,0 кг/га (N60P60K60). В условиях промывного режима почв при отсутствии или слабом их промерзании в зимний сезон процессы миграции сильно растянуты во времени и трудно прогнозируемы. В результате смыв элементов питания при снеготаянии весной уменьшился более чем в 5 раз. Вымывание химических веществ в холодный период года ухудшает питательный режим эродированных почв, заметно снижая содержание калия, кальция и особенно минерального азота в пахотном слое.

В новых природных условиях сельскохозяйственного землепользования на склоновых землях севооборот играет ведущую роль в обеспечении экологического равновесия. Это находит выражение в сдерживании эрозионных потерь почвы в пределах их допустимых колебаний. В среднем за последние 15 лет исследований с применением почвозащитного зернотравяного севооборота на склонах крутизной 8 и 40 смыв мелкозема составил 0,35 и 0,13 т/га соответственно, где главным средостабилизирующим фактором служит возделывание многолетних трав. Они позволяют надежно контролировать поведение эродированной почвы и эффективно управлять происходящими в ней процессами.

Щелевание является важным почвозащитным приемом, направленным на стабилизацию и оздоровление экологических режимов склоновых земель Нечерноземья. Регулирование и оптимизация водно-физических свойств почв при щелевании сокращает сток в 1,8, а смыв почвы в 2,5 раза по сравнению с отвальной вспашкой. Однако нарастание повторяемости, продолжительности и интенсивности климатических экстремумов холодных сезонов нивелируют эти различия и снижают противоэрозионную эффективность щелевания, а также большинства других агротехнических приемов.