РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ ЦЕЛИНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ: УРОКИ ПРОШЛОГО, НАСТОЯЩЕЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Введение. История целинного степного земледелия начинается с освоения целинных и залежных земель. Освоение целинных и залеж­ных земель в районах Казахстана, Сибири, Урала, Поволжья и Северно­го Кавказа в 20-ом столетии было направлено на решение продоволь­ственной безопасности Советского Союза, увеличение производства высококачественного зерна пшеницы с низкой себестоимостью на осно­вании решения февральско – мартовского 1954г. Пленума ЦК КПСС [1]. В соответствии решениями февральско– мартовского (1954г) Пленума ЦК КПСС под посевы в 1954 году уже было освоено 1,6 млн, гектаров целинных и залежных земель. Под посевы 1955 года было вспахано уже 8,0 млн. гектаров, перевыполнив план (ЦСУ Казахской ССР, 1955). В степных засушливых районах повсеместно распахивались целинные и залежные земли без достаточных научных данных в условиях степного климата и скудной растительной биомассы, без учета почвенных разно­стей и механического состава почв и, не изучив достаточно зарубежный опыт, сходных по климатическим условиям [2].

Первые изыскания и специальные экспедиции почвоведов, зем­леустроителей показали на большие ресурсы земельного фонда и наличие 21 млн. га пахотнопригодных земель в Казахстане [3]. В пер­вые годы освоения целинных и залежных земель применялась ев­ропейская технология весновспашки под посев с предварительным дискованием и прикатыванием почвы [4]. Предлагались глубокое и ранние сроки вспашки целинных и залежных земель под паровые поля, осеннее и весеннее лущение стерни с последующей глубокой вспашкой без отвалов через 3-4 года и тщательными обработками парового поля в течение летнего периода по методу Т.С. Мальцева. [2,5,6]. Европейский опыт подготовки почвы привел к проявлению ве­тровой эрозии почв. К концу 50-х годов площадь пахотнопригодныхземель, подверженных ветровой эрозии почв составляло 12,4 млн. гектаров. Для создания в почве достаточных запасов почвенной вла­ги учеными Шортандинской опытной станции и Уральской селекци­онной станции рекомендовались применение снегозадержания [2]. Урожайность при этом повышалась в 2-3 раза.

Цель настоящей работы – обзор, анализ и разработка на этой основе тенденций развития целинного земледелия в Казахстане.

Задачи – анализ влияния различных систем обработки почвы на пло­дородие и эрозионную устойчивость почв, продуктивность сельскохо­зяйственных культур.

– Изучить и обосновать устойчивые системы земледелия на основе анализа современного состояния и мировых тенденций.

Научно-методические основы. История земледелия в степи – это борьба за влагу, за ее сохранение [7,8]. Использование степей для хо­зяйственных нужд лишало степь растительности, уничтожало толстый войлок из растительных остатков, который как губка всасывала воду и прекрасно защищала почву от иссушения. В результате степь утратила возможность задерживать снег, благодаря чему весной почва высыха­ла раньше. Ветровая эрозия почв или «Пыльный котел» имел место во всех районах основания целинных и залежных земель, в первую оче­редь – на легких супесчаных и легкосуглинистых почвах. Пыльные бури охватили значительные территории Целинного края Казахстана, Запад­но – Казахстанские регионы, Алтайский край, Омскую и Новосибирскую область, Башкирскую АССР, Поволжье, Краснодарский и Ставрополь­ский край, Украинскую СССР и другие регионы бывшего СССР, что за­ставило прийти к заключению от отказа классического земледелия [8]. Первые наблюдения и анализ проведенных данных показал, что для эффективной защиты почв от эрозии, накопления снежного покрова и хорошему увлажнению почв необходимо сохранять стерню на поверхно­сти почвы [8]. Был изучен опыт Канадских фермеров борьбы с ветровой эрозией почв в провинциях прерий [9]. Была разработана почвозащит­ная система обработки почв в севообороте, основания на безотвальном рыхлении почв и плоскорезной обработке почв, позволившие макси­мально сохранить стерню и растительные остатки на поверхности по­чвы и защитить почву от ветровой эрозии [10,11]. По данным ВНИИЗХ, Целинной МИС, Северо – Казахстанской, Костанайской, Актюбинской, Павладарской, Тургайской сельскохозяйственной опытных станций урожайность яровой пшеницы за счет осенних плоскорезных обработок по­чвы увеличилось по сравнению отвальной зяблевой вспашкой на 1,7 – 3,8 ц/га [12]. Аналогичные результаты были получены в СИБНИИСХОЗ (Омск), в Кулундинской, Новосибирской, Безенчукской и других научных учреждениях России.

В Евразийском регионе после освоения целинных и залежных зе­мель в течение около 50 лет доминирующей и широко распространен­ной практикой землепользования были зернопаровые севообороты с монокультурой пшеницы и паровыми полями [12]. Считалось, что без чистых паров на целине практически невозможно очищение полей от сорных растений и невозможна высокая культура земледелия [13]. До­верие к паровому полю усилилось после изучения Канадского опыта [14]. Однако в условиях Канады площадь парового поля с 40% в 1970 году уменьшилась до 20% к 1990 году, а в некоторых прериях и до 12% [15]. Приводились производственные данные по Костанайской, Акмо­линской, Кокчетавской, Северо-Казахстанской, Павлодарской, Запад­но– Казахстанской областей, где урожайность яровой пшеницы по па­ровому полю 2-5 раз превышала урожайность по зяби. Были высказаны идеи о эффективности зерновых, бобовых культур. Севообороты макси­мально должны были быть насыщены зерновыми культурами, в частно­сти яровой пшеницей до 70-75%, пропашными – до 8,3-10%, и паровые поля должны были составлять 16,7-20%. В 1961 году для черноземных и темно-каштановых почв рекомендовалось 4-х польные пшенично – паровые севообороты, а для каштановых почв 2-х–3-х польные. Обо­снованием для рекомендаций служили данные Казахского НИИЗХ за 1953-1956 гг и 1958-1959 гг., Кустанайской сельскохозяйственной опыт­ной станции за 1955-1959 гг., и результаты большого количества данных совхозов и колхозов по Акмолинской, Кустанайской, Павлодарской и Кокчетавской областей, Западной и Восточной Сибири, Поволжья и дру­гих регионов по урожайности яровой пшеницы по паровому полю и по зяби. В занятом пару рекомендовалось высевать кормовые однолетние культуры, вико – овсяную смесь, нут, горох [16]. На первом этапе иссле­дований в 1965-71 гг изучались в основном зернопаровые севообороты от 2– польного до 6-ти– польного в сравнении зернопропашными [17]. В дальнейшем схемы изучения были включены севообороты с более удлиненной ротацией и бессменного посева пшеницы [18]. Результаты исследований показали, что наивысшая средняя урожайность зерновыхкультур была получена в 4-х и 5-ти польном севооборотах с включением ячменя (таблица 1).

Таблица 1 – Урожайность зерновых культур и выход зерна с 1 га в различных севооборотах (Бараев, 1979)

Из данных таблицы 1 видно, что в двупольном севообороте обе­спечивается наивысшая урожайность яровой пшеницы, но выход зер­на пшеницы повышается с удлинением севооборота и наибольший – 9,5 ц/га был получен при бессменном посеве пшеницы с внесением гер­бицидов. Но объяснений этим данным не было.

Первые результаты о неэффективности севооборотов с короткой ро­тацией были получены в исследованиях ВНИИЗХ в лаборатории раз­работки почвозащитных мероприятий в 1970-х годах 20 столетия [19]. На южных карбонатных почвах в среднем за 1973-1978 гг. выход зерна пшеницы без внесения минеральных удобрений составил в 2-польном севообороте – 9,6 цн/га; 3-х польном – 11,6; 4-х польном – 12,8 и прибессменном посеве – 13,9 цн/га. При внесении фосфорных удобрений была получена аналогичная закономерность. На темно-каштановых по­чвах в 1973-1979 гг. выход зерна пшеницы составил без внесения ми­неральных удобрений: 2-польном – 4,5 цн/га; в 3-х польном– 6,3; в 4-х польном – 9,0 и при бессменном посеве – 8,6 цн/га. При внесении фос­форных удобрений также при увеличении длины ротации выход зерна увеличивается вплоть до бессменного посева.

Результаты исследований по эффективности удлинения длины ро­тации севооборотов послужили основанием для изучения более интен­сивных севооборотов с включением зерновых культур вместо парового поля, а в более поздних исследованиях – плодосменных севооборотов с максимальным насыщением масличными, бобовыми и крупяными куль­турами. В 1980-1990-х годах эффективность беспаровых севооборотов при обязательном внесении минеральных удобрений была доказана и в России [20,21]. Развитие теории и практики о севооборотах в степных засушливых условиях получило свое развитие на основе совершенство­вания технологии возделывания сельскохозяйственных культур и при­менения новых методических подходов в изучении севооборотов[22]. Впервые для Евразийской степи теоретически и экспериментально была доказана эффективность беспаровых севооборотов [22,23]. На основе диверсификации растениеводства и включения масличных, бо­бовых и крупяных культур в зерновые севообороты доказана высокая эффективность плодосменных севооборотов [24,25].

Вопросы теории системы обработки почвы в засушливых условиях начали изучаться во Всесоюзном научно-исследовательском институ­те зернового хозяйства (Научно-производственный центр зернового хо­зяйства им. А.И. Бараева) и сельскохозяйственных опытных станциях Казахстана и России в 60-х годах 20 столетия. На основании резуль­татов стационарных многолетних исследований для степных засуш­ливых условии Северного Казахстана на тяжелых по механическому составу почва разработана разноглубинная система обработки почвы в севообороте, состоящая из чередования глубоких но 27 см и мел­ких плоскорезных обработок почвы на 12-14 см [26].В последующем на основе совершенствования сельскохозяйственных орудий, эффек­тивного использования атмосферных осадков рекомендовалось глу­бокое рыхление почвы на глубину 25-27 см во всех полях севооборо­тах, которая обеспечивала прибавку урожая зерна яровой пшеницы на 2-6 ц/га по сравнению с мягкими плоскорезными обработками почвы [27]. В исследованиях Бакаева Н.М. (1975), глубокая плоскорезная обработка почвы на глубину 25-27 см в сочетании снегозадержанием обеспечивала превышения урожайности яровой пшеницы на 3-4 ц/га по сравнению с мелкими плоскорезными обработками почвы [28]. В ус­ловиях недостаточного увлажнения не было выявлено преимущество глубокой осенней обработки почвы парового поля и стерневого предше­ственника [29].

Результаты и опыт освоения систем земледелия. Освоение це­линных и залежных земель позволило увеличить производства зерна в стране за10 лет в 2 раза по сравнению с 1950 годом за счет увеличения площадей посева (до освоения целинных и залежных земель). К 60-м годам 20 столетия Казахстан, Сибирь и Алтайский край превратились в хлебную житницу Советского Союза, дающую ежегодно 1,5-2,0 млрд пудов товарного зерна, и ценнейшей продовольственной и экспортной культуры – яровой пшеницы. Для разработки научных основ ведения земледелия в засушливой степи на вновь освоенной целине, в Казах­ском институте зернового хозяйства в 1960-х годах были заложены социальные многолетние стационарные опыты по обработке почвы, севооборотам, применению удобрений, защите растений от сорных растений, агротехнике полевых культур, которые существуют и по се­годняшний день.

В 1980х годах принципы и методы почвозащитной обработки почвы были внедрены более чем на 60.0 млн. гектарах и в Казахстане на пло­щади более 20.0 млн. га. Широкому и успешному внедрению почвоза­щитной системы земледелия способствовало постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 20 марта 1967 г. «О неотложных мерах по защите почв от ветровой и водной эрозии». На основании изучения опыта Канады и первых научных результатов было наложено произ­водство плоскорезов в Одесском заводе сельскохозяйственного маши­ностроения имени Октябрьской революции. Были начаты разработки почвозащитных орудий во Всесоюзном институте механизации сельско­го хозяйства (Москва) и Казахском НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства (Алматы). Производились новые почвозащитные орудия на заводах «Целинсельмаш» и «Казахсельмаш» (г. Целиноград).

Паровое поле являлось самым уязвимым местом в почвозащитной системе земледелия. Исследованиями установлено, что биологическая, ветровая и водная эрозия почв больше ассоциируется с паровым полем [30,31]. Рекомендовалось полосное размещение чистого пара и сельско­хозяйственных культур [2,10,11]. О фактах проявления ветровой эрозии почв на чистых парах в 1960х годах в Павлодарской области отмечали Фаизов К.Ш. и др. [33,34,35]. Для борьбы с ветровой эрозией почв на лег­ких по механическому составу почвах в Павлодарской области в первые годы рекомендовалось полосное размещение сельскохозяйственных культур и парового поля [34,35]. Шаблонное, повсеместное применение полосного земледелия привело к сильному проявлению водной эрозии почв на склоновых землях, особенно по паровым полям [32].

Фаизов К.Ш.(1962) впервые в Казахстане на основе классификации почвенных разностей по степени эродированности, на основе уменьше­ния скорости ветра в приземном слое почвы и повышения связности почвенного покрова, поставил вопрос разработки особых приемов обра­ботки почвы [33]. Была предложена классификация южных черноземов и темно-каштановых почв, подверженных дефляции и были разработа­ны диагностические показатели [33,34]. Дзетоветский (1948) установил, что для передвижения почвенных частиц диаметром от 0.01 мм до 2.0 мм достаточно скорости ветра от 3.65 до 8.57 м/сек, а для переноса частиц – от 3.72 до 16.25 м/сек. [36]. В Северном Казахстане частота ветра со скоростью 11-15 м/сек составляет весной 15-20, летом 20-25 и осенью 40-60 % [36]. Утешев А.С. и Семенов О.Е. условно предложили пороговые скорости ветра для обоснования скорости передвижения и переноса частиц [36]. Бельгибаев М.Е. (1965) предложил оценку почв по структурному анализу и разработал классификацию и методику карти­рования дефлированных почв Северного Казахстана [37].

Позже во Всесоюзном научно – исследовательском институте зер­нового хозяйства были начаты работы по районированию территории Северного Казахстана по потенциальной опасности дефляции почв и предложены картограммы потенциальной опасности проявления ве­тровой эрозии почв на территории Северного Казахстана [38,39]. В условиях Казахстана исследованиями ВНИИЗХ установлено, что поч­венные частицы размером менее 1,0мм являются эрозионноопасными [38]. Большое влияние на развитие теории и практики защиты почв от эрозии в Азиатской части Советского Союза оказали фундаментальные исследования американских и канадских ученых, получивших большое развитие после «пыльных котлов» 1930-х годов. Исследованиями американских и канадских ученых впервые установлены динамика проявле­ния ветроэрозионных процессов, физические явления, происходящие в процессе ветровой эрозии почв и меры борьбы с ним [40,41]. Chepil and Woodruff (1963) установили, что почвенные агрегаты размером менее 0,84мм являются эрозионно неустойчивыми к ветру, доказали эффек­тивность шероховатости поверхности почв против ветровой эрозии [41].

Проблемы ветровой эрозии почв на паровых полях вынудили в США и Канаде искать методы защиты их. Aasheim (1947) опубликовал пер­вые результаты по использованию гербицидов группы 2,4 Д для сни­жения количества механических обработок почвы в паровом поле [41]. В исследованиях 1956-1967гг в провинции Саскачеван (Канада) приме­нение химического пара сохранило до 91% растительных остатков и предотвращало ветровую эрозию почв [41,42]. Позднее эффективность химического пара по контролю эрозионных процессов доказали Васег др. [42]. Многократные механические обработки почвы в паровом поле приводили к распылению почвы и создавали эрозионную опасность [40, 42, 32, 43,44].

В Северном Казахстане исследования по замене механических об­работок почвы в паровом поле гербицидами начались в 1967 году [43]. В этих исследованиях 3-х кратная обработка регланом с дополнитель­ной обработкой 2,4 Д была эффективной по сохранению растительных остатков и повышала урожайность яровой пшеницы на 2,2 ц/га по срав­нению с механическими обработками почвы в паровом поле. Однако экономический эффект от многократного применения гербицидов был сомнителен.

Парование в засушливых условиях Северного Казахстана привело к снижению органического вещества почвы и азота [24,47,48]

В наших исследованиях баланс углерода (приход-расход) отрица­тельный в севооборотах с паровым полем -780 кг/га на южных карбонат­ных черноземах, до -1.12 т/га на каштановых почвах и до -650 кг/га на обыкновенных черноземах[49]. Для устойчивого ведения земледелия в засушливых регионах необходимы хороший менеджмент растительных и пожнивных остатков, сокращение механического воздействия на почву, сокращение и замена парового поля альтернативными культурами, необ­ходимы диверсифицированные севообороты. Уровень урожайности яро­вой пшеницы в среднем за 2000-2021 годы как по паровому полю так и по стерневым предшественникам в беспаровых севооборотах и при бес­сменном посеве пшеницы составляет на уровне 2,2 -2,4 тонн с 1 гектара.

Особенностью территории Северного Казахстана является то, что она представляет собой слабосклоновые земли. Площадь пашни с уклоном до 0,5 градусов составляет около 24,0 млн. гектаров или 75-80 % территории. Большая водосборная площадь и медленное оттаивание почвы весной способствуют образованию поверхностного стока талых вод, образованию водотоков, а впоследствии оврагов. Потери талых вод могут достигать до 50%. По паровому полю смыв почвы достигает 1.2-1.5 т/га и 0.5-0.8 т/га по стерневому предшественнику. На сформи­ровавшихся водотоках объем смытой почвы достигает 0.4 м³ на 1 га, и увеличением размеров по глубине, длине и ширине и образуя овраги. Специальные наблюдения позволили установить, что эффективность впитывания талых вод в паровом поле на склоновых землях составляет всего 20-23%, а в отдельные годы – всего 4,0-10,1% . В паровом поле значительная часть талой воды до 92 % теряется на испарение и сток талых вод в весенний период.

Предыдущими исследованиями была установлена эффективность осенней обработки парового поля поперек склона на глубину 25-27 см для предотвращения стока талых вод и смыва почвы [31]. Посев культу­ры овса и гороха и других денежных культур вместо парового поля обе­спечивают высокую эффективность по защите паровых полей от водной и ветровой эрозии на склоновой пашне и дополнительно повышают про­дуктивность пашни на 23,0-30,6% [24].

В мировой практике широкое распространение получает технология No-till и прямого посева. В настоящее время в мире около 400 млн.га обрабатывается по принципу почвосбережения. Методология техноло­гии No-till широко адаптирована в США, Канаде, Австралии, Бразилии, Аргентине. В прериях Канады площади возделывания по системе No-till с 20,9% в 1996 г. увеличивались до 70,0% в 2020 году [50,51].

В среднем за годы исследований урожайность яровой пшеницы в плодосменном севообороте составила на южных черноземах по мини­мальной обработке 23,8 и по нулевой – 23,5 ц/га; на обыкновенных чер­ноземах 26,0 и 27,7 ц/га соответственно. На южных черноземных почвах только в 42,9% случаев система No-till существенно превышала урожай­ность яровой пшеницы по минимальной обработке. На обыкновенных черноземных почвах в благоприятные по увлажнению годы урожайность по традиционной обработке и No-till обработке почв получены на одном уровне.

Значение и роль Казахстана велико в глобальном углеродном ци­кле. Секвестрация углерода почвы, восстановление почвы, сохранение агробиоразнообразия важны для устойчивого землепользования. Ис­следованиями в НИИ зернового хозяйства им. А.И.Бараева (Шортан­ды, Северный Казахстан) совместно с учеными из Университета Кали­форния, Дэвис (США) с использованием инструментария «Bowen Ratio Energy system» и «Eddy Covariance System» подтвердили роль различ­ных агроэкосистем Казахстана в глобальном углеродном цикле. По уровню связывания углекислого газа атмосферы степные экосистемы Средней Азии расположились в следующем порядке: Шортанды, Казах­стан (3,81-5,81), Карнап, Узбекистан (2,84), Карыкум, Туркменистан (0,32 т/гектар/сезон) [52,53].

Обсуждение и заключение. Целинная наука относительно моло­дая. Система целинного земледелия отвечает тенденциям развития мирового земледелия. За этот период базовые принципы почвозащит­ного степного земледелия в Север-ном Казахстане совершенствова­лись в следующих направлениях: от плоскорез-ной обработки почвы к системе No-till и сокращенной обработке почвы, от монокультуры зерновых культур к диверсификации и от зернопаровых севооборо­тов – к зерновым, плодосменным [25]. С учетом мировых тенденций и возрастающих потребностей мирового рынка в зерне, производство пшеницы по-прежнему будет стратегической культурой для северного региона Казахстана. Диверсификация является стимулирующим фак­тором экономической выгоды для фермеров с учетом стабильных цен и спроса на внутреннем и внешнем рынках для финансовой прибыль­ной устойчивости.

Для дальнейшего совершенствования и развития целинного, степ­ного земледелия, следующие принципиальные аспекты почвозащитного земледелия должны присутствовать: 1. Контроль эрозии почв на усло­виях «постоянного» покрытия поверхности почвы, учета ландшафта и топографии поля, разнообразие культур и корневых систем, флоры и фауны, 2. Минимальное нарушение структуры почвы, согласующейся с практикой устойчивого, восстанавливающего земледелия. Это долж­но быть минимальное или полное исключение механической обработки почвы, прямой посев культур с дисковыми или анкерными сошниками. 3. Максимальное покрытие поверхности почвы и сохранение раститель­ных остатков на поверхности почвы. Использование агробиоразнообра­зия и плодосменных севооборотов, исключение летнего пара из севоо­борота. В отдельных регионах возможно применение химического пара. 4. Актуализировать биологическую активность, секвестрацию почвенно­го углерода и «здоровье почв», используя плодосменные севообороты, покровные культуры, систему обработки почвы 5. Адаптация элементов систем земледелия к условиям ландшафта землепользования, топо­графии поля, пространственной неоднородности плодородия почв на принципах точного земледелия, управления ростом и развитием сель­скохозяйственных растений. 

В будущем, учитывая жесткие ограничения по климату, расшире­ние площадей не будет представлять путь увеличения продуктивно­сти и устойчивости зернопроизводства. Снижение вариации урожай­ности сельскохозяйственных культур по полям и годам, стабилизация устойчивой продуктивности сельскохозяйственных культур в жестких климатических условиях должно достигаться путем рационального, научно-обоснованного размещения по зонам страны и агроландшаф­там территории землепользования. В засушливом регионе Казахстана имеется ряд агроэкологических и агроландшафтных зон, различающих­ся как по плодородию почвы, так и по потенциальной продуктивности. Для выработки стратегических мер необходимо определить состояние и инвентаризацию самых уязвимых частей агроэкологической системы в качестве основы для адаптации стратегии и соответствующих прак­тических мер к изменению климата. Основой адаптации и стабильно­го производства зерновой продукции в условиях жесткого ограничения благоприятных климатических условий будет являться сохранение пло­дородия почв, охрана земель от деградации и опустынивания. Дегра­дация почвы составляет коварную и недооцениваемую проблему 21-го века. В засушливых регионах Казахстана деградация земель оказывают отрицательное воздействие на экосистемы и увеличивают уязвимость от процессов глобального потепления климата.