Основу пахотного земельного фонда нашей страны составляют черноземы, на долю которых приходятся около 73% от общей площади фонда и около 75% от пахотной площади. В связи с этим, вопрос охраны и расширенного воспроизводства плодородия черноземов, дальнейшей интенсификации сельскохозяйственного производства нельзя решить без разработки именно для черноземных почв наиболее эффективных систем земледелия.
Систем, отвечающих современному состоянию почв, уровню развития производительных сил, принципам устойчивости природной среды, а так же направленных на развитие сельскохозяйственных технологий. Особое значение эта проблема приобретает в связи с применением технологий систем консервирующего земледелия. Сельскохозяйственная наука накопила огромный фактический материал, отражающий эффективность применения того или иного способа обработки почв. Следует признать, что проблема теоретического обоснования системы обработки, и в первую очередь глубины рыхления почвы, оказывается во многих случаях весьма сложной и многогранной.
Вместе с тем, исторический анализ систем земледелия и теоретического обоснования выбора метода обработки применительно к зональным генотипам почв показывает, что решение данного вопроса без должного участия прикладного почвоведения как науки, оказывается практически невозможным, так как консервативные системы земледелия должны основываться на адаптации систем земледелия к механизмам функционирования и состоянию почв. При этом первостепенное значение приобретают степень соответствия применяемой технологии условиям ландшафта, процессам в почвах, их прогноз и разработка мер по их управлению.
В этом плане стоит отметить, что черноземы — тип почв со сложной и длительной историей. А ведущим процессом в формировании черноземов был и остается положительный баланс веществ и энергии, генезис черноземов находит отражение в самом определении процесса почвообразования. Последний представляет собой биологический процесс, в котором пересекаются все основные потоки веществ и энергии с образованием остаточных продуктов длительного функционирования, накопление которых обусловливают образование нового почвенного вещества. Отличительной особенностью последней является форма энергии, которая представляет собой эффективное сочетание внутренней энергии Земли содержащейся в минеральных образованиях и космической энергии накопленной растениями.
И одна и вторая формы энергии претерпели существенные изменения в ходе процессов превращения минеральных (выветривание) и органических (гумусообразование) веществ. Основополагающим моментом черноземного типа почвообразования является этап инициирования целенаправленной целесообразной цикличности почвообразовательных режимов и почвенных процессов. Этот момент наступил лишь на определенном этапе развития почвенного вещества, в связи с чем можно утверждать, что природа сама по себе выработала сложный органически целесообразный саморегулирующийся механизм, главное звено которого составляют растения и почвы, накапливающие энергию солнца в виде живого вещества (биомассы) и почвенного гумуса.
Целенаправленная цикличность обеспечила интеграцию и структурную организацию почвенного вещества с образованием системы почвенных горизонтов, обогащенных высокоактивными минеральными веществами (иллиты и смектит-монтмориллониты), гуматно-кальциевым органическим веществом (гумус 400-600 т\га), живой надземной и подземной биомассой (15-30-50 т\га), высокими запасами азота, фосфора, калия, кальция, микроэлементов. Колоссальные запасы потенциально активной химической энергии в гумусе, подстилке и живой биомассе, достигающие 3-4•109 ккал\га, являются основой высокой биологической продуктивности черноземов, их устойчивой способности противостоять резким изменениям экологической обстановки и обеспечивать высокую продуктивность фотосинтеза растений.
Биогенная и геохимическая обогащенность черноземов гуматным органическим веществом и смектитами обусловливает формирование в них высокой поглотительной способности и оптимальной мелкозернистой структуры. Процесс черноземообразования синхронизован с динамикой и пространственным разнообразием природных факторов почвообразования. В связи с этим отмечаются существенные различия между подтипами черноземов, что должно учитываться в практике земледелия. Вместе с тем, при всех природно-генетических особенностях различных черноземов, в них возникают сходные изменения качественного характера в биоэнергетике, биохимии гумуса, в балансе углерода и азота, водном режиме. Степень этих изменений различна, и чем раньше мы сможем направлять эти процессы в сторону оптимизации, тем лучше будут сохранены черноземы и тем выше будут урожаи.
Наиболее общее значение в сохранении природного плодородия черноземов в земледелии имеют положительный баланс органического вещества и биофильных элементов, обеспечение оптимальной структурной организации почвенной экосистемы, предотвращение эрозии и организация водного режима.В этом контексте следует отметить, что даже в условиях, когда приводимые в литературе данные и выводы о влияние традиционной системы земледелия на эти первостепенные условия расширенного воспроизводства черноземов противоречивы, следует отметить, что большинство исследований указывает на неспособность применяемых практик обеспечивать такой эффект.Согласно общей теории систем сохранение генетического разнообразия различных черноземов является одной из первостепенных условий нормального функционирования почвенного покрова, в связи с чем формирование вертикального анизотропного почвенного профиля состоящего из горизонтов разного назначения, В.О. Таргульян (1985) рассматривает как главную функцию зрелой биокосной системы.
Функциональная неоднородность вертикальной толщи почвы воспринимается нами как естественная закономерность и необходимые условия для нормативного функционирования почвенной экосистемы. Системный анализ почвенного профиля свидетельствует о сезонной направленности цикличности гумуса в верхнем слоях черноземов целины а также указывает на соответствующую ритмику во всем активном почвенном слое. Совокупность всех этих изменений по почвенному профилю М.И. Дергачева объединяет общим терминов гумусовый профильПозднее мы предложили заменить этот термин другим — органический профиль, который представляет собой совокупность химически и генетически сопряженных однородных зон (слоев) почвы, каждая из которых характеризуется определенным, свойственным только этой зоне сочетанием деградационных, трансформационных и гумусообразовательных процессов.
А также относительно одинаковой степенью интенсивности их проявления, сравнительно идентичным продуктам этих процессов, определенным типом органо-минеральных реакций (Jigău, 2011). Для черноземов характерен трансформационно-миграционный тип органического профиля, который состоит из двух зон: верхняя (около 20 см) по преобладанию в ней ведущих процессов гумификации, в том числе за счет наземной части опада, и нижняя, в которой в общем процессе гумусообразования преобладает миграция продуктов гумификации. Верхняя (гумификационно-трансформационная) зона гумусового профиля черноземов несет основную функциональную нагрузку в саморегулирующейся системе растения-почва. Она обладает высоким накопительным потенциалом, обеспечивая гумусовыми веществами практически весь профиль. Есть все основания считать, что целесообразную динамику органического вещества целинных черноземов в значительной мере определяет органический детрит. В этом смысле значение гумусового детрита в балансе почвенного углерода, углекислоты и плодородии черноземов может быть, даже более важно, чем гумуса (Ковда, 1983). Материальный и энергетический потенциал верхней зоны гумусового профиля черноземных почв должен постоянно поддерживаться на более высоком уровне в сравнении с нижними горизонтами.
Поэтому главное и обязательное условие нормального функционирования экосистем в условиях как целинных черноземов, так и черноземов агроценозов-высокое содержание органического углерода в их верхнем слое. Не менее важна и транспортная функция верхней зоны органического профиля черноземных почв. Мобильные гумусовые вещества, значительная часть который представлена фульвокислотами, обеспечивает нисходящую миграцию азота, кальция и других зольных элементов, образовавшихся при разложении растительного опада в верхней части почвы. В нижней части органического профиля черноземных почв элементы-биофилы со временем трансформируются в доступные формы и с участием восходящего тока почвенной влаги или корневой системы растений вовлекаются в очередной цикл биологического круговорота веществ. К этому, их присутствие в нижних горизонтах почвенного профиля обеспечивает глубокое проникновение корней растений и ассоциированных микроорганизмов. Тем самым обеспечивается развитие почвообразования по вертикали.
Дифференцированный по нисходящей органический профиль черноземов в значительной мере определяет гидротермический режим почвы, управляет запасами почвенной влаги, степенью ее мобильности и доступности, определяет интенсивность и динамику испарения, активизирует почвенно-биологические процессы, служит источником питательных веществ для почвенного раствора, участвует в процессах саморегуляции почвы. Его дифференциация по нисходящей определяет относительно одинаковое энергетическое состояние почвенной влаги по всей толще почвенного профиля, тем самым обеспечивая бесстресовое функционирование почвенной экосистемы.Обогащенный органическим веществом верхний слой черноземов приобретает важное значение еще потому, что он находится в зоне действия лучистой энергии солнца, которая в подобном случае может непосредственно вовлекаться в энегетику почвенных процесса.
Многочисленные экспериментальные данные последнего времени убедительно свидетельствуют, что сельскохозяйственное освоение почв уже на изначальной стадии вызывает резкие изменения факторов и процессов почвообразования.Развивается так называемый культурный процесс почвообразования (Ковда, 1973). Вместе с тем, нашими и другими исследователями установлено, что ежегодное разрушение и перемещение наиболее биогенного верхнего слоя черноземов в условиях интенсивного земледелия резко снижает активность процессов саморегуляции почвы как системы, способствует повышенной минерализации органического вещества, увеличивает удельный расход питательных веществ и влаги и в результате заметно снижает потенциальное и эффективное плодородие. В связи с этим учитывая системный подход к генезису и оценке плодородия почв, следует отметить, что используемый ныне термин «культурный почвооброзовательный процесс» для условий черноземов не в полной мере отражает истинную суть современного почвогенеза, так как обрабатываемые почвы в ходе распашки целины теряют саму материальную основу плодородия и практически полностью лишаются такого мощного фактора сохранения и самовосстановления, как системный процесс саморегуляции. Как показывают В.В.Пономарева и Т.А.Плотникова (1980) в процессе длительной распашки биохимическая «пульсация» гумусового горизонта черноземов почти прекращается, почва утрачивает свои превосходные химические и физические свойства и превращается в более или менее инертный субстрат, на котором получить высокие урожаи без применения удобрений и восстановления структуры невозможно.
По данным Т.Л. Быстрицкой и соавторов (1981) в антропогенных пахотных экосистемах по сравнению с естественными биогеоценозами резко возрастают нерегулярные колебания и явно снижается амплитуда целесообразной сезонной цикличности почвенного раствора, что объясняется прежде всего отсутствием в верхнем слое пахотных черноземов необходимого запаса фитомассы в частности мертвого растительного вещества в виде мощного слоя степной подстилки. Учитывая неправленый характер подобных годичных ритмов мы склоны рассматривать целесообразную сезонную цикличность основных почвообразовательных режимов и процессов черноземных почв как динамически равновесную циклическую систему, которую следует принимать во внимание при диагностике почв и оценке их продуктивности. Исходя, из этого считаем, что по отношению к эволюции черноземов в условиях сельскохозяйственного использования более приемлемо такое определение как «антропогенез» с дальнейшим его разделением на подтипы в зависимости от факторов и степени антропогенной модификации.
Одна из главных особенностей антропогенеза заключается, прежде всего в том, что оно протекает под культурной растительностью, которая в значительно меньшей степени чем на других типах пахотных почв, отличается от естественной. Нашими, но и более ранними исследованиями установлено, например, что при распашке серых почв Центральномолдавской возвышенности, культурная, преимущественно травянистая растительность, приходит на смену лесной. В этом случае в биологической круговорот вовлекается намного больше зольных элементов и азота, заметно возрастают ежегодный опад и биологическое накопление органического вещества и питательных элементов в почве. Вследствие этого, в процессе сельскохозяйственного освоения серых почв значительно снижается их кислотность, увеличивается содержание и изменяется состав гумуса, улучшается комплекс водно-физических свойств почв (Jigău, 2009). Различие биологического круговорота в естественных и агрономических ценозах черноземов степей состоит в том, что в последних из почвы отчуждается значительное количество органического вещества и химических элементов, а типичный для целины войлок не возобновляется.
Для поддержания своей жизнедеятельности культурные растения все более используют азот и зольные элементы из почвы, способствуя тем самым минерализации ее органического вещества. Биологический круговорот веществ становиться, в сущности, декомпенсированным. Пахотные черноземы со временем в значительной мере обедняются зольными элементами и органическим веществом, что в конечном счете ухудшает структурное состояние и водно-физические свойства почв, заметно снижает их продуктивность. В.В. Докучаев (1890) отмечал, что сельское хозяйство черноземной зоны, обладая лучшими в мире почвами, может оказаться в затруднительном положении. Исходя из целей и возможности экстенсивного земледелия, он считал, что черноземы в общем не требуют добавления питательных веществ, а их продуктивность можно восстановить путем создания физической структуры почвы и более полного использования влаги недостающих атмосферных осадков. Для решения поставленных задач цитируемый автор предложил ряд эффективных мероприятий, уделяя большое внимание залежной системе земледелия. Отведенные под залежь черноземы восстанавливают со временем естественную растительность и замкнутый круговорот веществ, обогащаются в верхней части профиля органическим веществом и питательными элементами, воссоздают утраченную структуру и благоприятные водно-физические свойства.
Главным недостатком этой системы было то, что почва на многие годы практически полностью выводилась из сельскохозяйственного пользования. Более приемлемой в этом отношении стала впоследствии травопольная система земледелия. Это была, первая система земледелия, при которой плодородие почвы восстанавливалось не только с помощью естественных факторов но и при активном участии человека посредством использования им определенных видов культурных растений.
Такая возможность основывается на то что многолетние травы в отличие от других культурных растений оставляют в почву в виде корневой массы больше половины ежегодного прироста. По расчетам В.А.Ковды (1983) с корневыми остатками многолетних трав в почве остаются 12 т/га вещества а с поля отчуждаются лишь 30-40% массы растений. Более того, травопольная система предполагает, в обязательном порядке, увеличение поголовья скота, вследствие чего увеличилось количество органических удобрений, что оказывало положительное влияние на восстановление продуктивности распаханных черноземов. Однако, послевоенное положение в сельском хозяйстве, развитие промышленности по производству удобрений, появление новой техники и более продуктивных сортов культурных растений материализованных в быстром увеличение урожаев создали благоприятные предпосылки для быстрого внедрения интенсивных технологий земледелья.
В составе последних односторонне акцент был поставлен на ежегодную вспашку и повышенные дозы минеральных удобрений, которые на первых порах обеспечили быстрый рост урожая (в условиях нашей республики это отмечалось в период 1965-1975 г.г.). В последствии в целях обеспечения роста урожаев стали увеличивать количество вносимых удобрений которые привели к появлению новых лимитирующих факторов: снижения буфферности и содоустойчивости (Жигэу, 1980), усилению минерализации гумуса (Лавринтьев, 1972; Назаренко, 1973), ухудшению структурно-агрегатного состава и водно-физически свойств почв (Jigău, 201a, b), снижению биологической активности почв (Мишустин, Елцев, 1970) и др.Длительное использование черноземов оказывает значительное влияние на их морфологические свойства, материализующаяся в образование агрогенных слоев в составе которых выделяют пахотный и подпахотный горизонты (Жигэу, 2012).Наряду с минеральной системой фертилизации развивалось органоминеральная с примерно равным соотношением органических и минеральных удобрений. В этом контексте Н.И. Демушкин и А.А. Шепявский (1972) считают что это является наиболее приемлемой системой удобрения а В.А. Ковда (1973) считает что на ее фоне резко увеличивается численность и возрастает активность нитрифицирующих бактерий и микроорганизмов, фиксирующих атмосферный азот.
В то же время, некоторые авторы считают, что органоминеральная система удобрения по степени влияния на биологическое состояние почвы в значительной мере превосходит органическую и минеральную систему в отдельности (Корягина и соавторы, 1981). Однако, обеспечивая довольно высокие урожаи эта система удобрения в условиях нашей республики лишь на очень короткий срок решила проблему почвенного гумуса и абсолютно не повлияла на снижение интенсивности процессов физической деградации почвы. Обобщение результатов деятельности многочисленных экономических агентов в течение последних 8-9 лет, показало, что поддержание на высоком уровне плодородия пахотных черноземов в интенсивном земледелии при существующих системах обработки и удобрения почвы становиться возможным лишь при значительных материальных и энергетических затратах, без какой-либо гарантии сохранения плодородия в условиях дальнейшей интенсификации земледелия. Вместе с тем, 4-5-ти летний опыт экологического производства в условиях всех трех зон республики, показывают, что в условиях менеджмента свойствами и режимами почв основанного на сокращения механических давлений на почву из вне и числа обработок, увеличение из года в год количества свежего органического вещества в почву путем обязательного включения в севооборот бобовых культур (горох, люцерна), заделки растительных остатков в почву (10-12 см) и сохранения около 30-35% органических остатков на поверхности почвы а также выращивания и заделки на глубину 16-18 см ряда почвоулучшающих культур (фацелия, горчица и др.) установлено, что можно достигнуть в короткие сроки более высокого прогрессирующего со временем уровня плодородия обрабатываемых черноземов при условии восстановления естественного («функционирующего») статуса органического профиля черноземных почв.
На основании полученного опыта считаем что минимизация обработок и биологизация процесса антропедогенеза на черноземах со временем восстанавливают генетический код саморегуляции естественных биоэкосистем, что объясняется, по-видимому, прежде всего заметным повышением в верхних слоях почвы содержания растворимого органического вещества (Жигэу, 2012).К аналогичным выводом пришли и другие исследователи, которые установили, что систематическое обогащение органическим веществом самого верхнего слоя гумусового горизонта чернозема типичного воспроизводит, подобно целенаправленную сезонную цикличность и процессы саморегуляции почвы, что вместе с целесообразным антропогенным воздействием на нее обеспечивает более высокий уровень плодородия обрабатываемых черноземов, чем при отвальной вспашке, или в условиях естественных экосистем (Назаренко, 1983; Шикула, Назаренко, Орлов, 1984; Шикула, Назаренко, 1986; Шикула, Назаренко, 1990). Это наталкивает на мысль, что механизмы функционирования черноземов в естественных условиях являются моделью как они должны функционировать в агроэкосистемах.
Следовательно, в земледелии на черноземах механизм воспроизводства фитомассы должен опираться на тот же процесс расширенного постоянного или циклического поступления энергии и возврата отчуждаемых с урожаем элементов, который был характерен для естественных биогеоценозов. Поэтому все формы органики и отходы органических веществ как носители энергии и составляющих их биофильнных элементов должны обязательно возвращаться в почвы агроэкосистемы. Корни, прижизненные метаболиты, фрагменты стеблей и листьев, солома и стерня должны оставаться на поле и в почве как компонент биогеохимического цикла элементов и как источник энергии.
В контексте всего изложенного следует отметить, что согласно определению Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), почвозащитное земледелие – это концепция ресурсосберегающего производства сельхозкультур, цель которого достичь приемлемой прибыли наряду с высоким уровнем самовосстанавливающегося производства при одновременном сохранении окружающей среды. Оно включает три основные компоненты, которые взаимосвязаны между собой тем самым обеспечивая расширенное воспроизводство почвенной экосистемы и переход агрофитоценозов в саморегулирующиеся агробиогеоцензоы:
В этом контексте обеспечивая продолжительное нулевое или минимальное нарушение почвенного профиля и почвенного покрова, постоянное присутствие на поверхности почвы слоя органического вещества, то есть растительных остатков или промежуточных культур, диверсифицированные севообороты в случае возделывания однолетних культур или смеси культур (включающих бобовые в случае выращивания многолетних культур), консервативное земледелие полностью соответствует вышеописанным принципам.