Продуктивность полевых культур при контурно-буферной организации поля в Оренбургском Зауралье

Acknowledgments : research is carried out in accordance with the research plan for 2022–2024 of the FSBSI Federal Research Center for Biological Systems and Agricultural Technologies of the Russian Academy of Sciences (No. 0526-2022-0014).

Введение. В районах Оренбургского Зауралья: Адамовском, Кваркенском, Светлинском, Ясненском, Домбаровском, Новоорском, Гайском (в административном делении на сегодняшний день), – размещается 22 % пашни области (1,3 млн га). Практически вся она эродирована и эрозиционно-дефляционно опасна. Более 860 тыс. га пашни (66 %) расположено на склонах 1–5° и нуждается в эффективной про- тивоэрозионной защите [1–3]. Наиболее важными направлениями ресурсосбережения и снижения затрат является переход на адаптивно-ландшафтное земледелие [4–6]. Благодаря освоению почвозащитной системы земледелия, урожайность зерновых культур в Оренбургской области возрастает в среднем от 0,80 до 1,18 т/га [7–10].

Практика целинных хозяйств после освоения почвозащитного земледелия с 1960–1970 гг. показывает, что на склоновых землях во многих случаях усиливается водная эрозия, особенно на чистых парах. Во время весеннего снеготаяния и ливневых дождей паровые поля теряют более 100 т с 1 га плодородной почвы. Потери естественных осадков, упавших на чистые пары под яровую пшеницу за период парования, составляют более 65–70 % (350–400 мм), больше среднемноголетней годовой нормы. Недобор урожая от потерь влаги составляет более 2 т зерна с 1 га. Прямой ущерб от потерь почвы в компенсирующей дозе удобрений на 1 га составляет: перепревший навоз – 45 т, минеральных туков – 4,5 т, – на общую сумму более 100 тыс. руб. по ценам 2021 г. [11, 12].

На склоновых землях значительно изменяются показатели плодородия почв. На склоне наблюдается снижение гумуса: на слабосмы-тых почвах – около 25 %; среднесмытых – 45 и сильносмытых – 70 % по сравнению с нормальным уровнем плодородия [13, 14].

Эффективность агротехнических и лесомелиоративных средств достигает максимума только в системе контурной организации территории. Потери влаги сокращаются на 30 %, потери почвы – на 50 %. Прибавка урожая зерновых культур от внедрения обработки почвы, по данным ВНИИЗиЗПЭ, составляет 0,32 т/га [15, 16].

Цель исследования – разработать эффективные меры по сохранению и повышению плодородия почвы, ослаблению действия засухи, получению высоких и устойчивых урожаев в Оренбургском Зауралье.

Задачи: установить продуктивность полевых культур в пятипольных севооборотах при контурно-буферной организации поля; определить усвоение атмосферных осадков почвой, их потери в паровых полях и под культурами севооборотов; выявить особенности сохранения и повышения плодородия почвы склоновых участков.

Методы, объекты и условия проведения исследования. В течение пяти лет (2017– 2021 гг.) была проведена научно-исследовательская работа на опытном стационаре по почвозащитному земледелию в ФГУП «Советская Россия» Адамовского района в типичных для Оренбургского Зауралья почвенно-климатических условиях (координаты: 51°45′53″ с.ш., 59°44′34″ в.д.). Склон северо-восточной экспози- ции, крутизной 1–3°, рельеф спокойно ровный. Почва – чернозем южный среднемощный, тяжелосуглинистый. Мощность пахотного горизонта составляет 27–30 см. Содержание гумуса в 0–10 см слое почвы – 4,3 % и в 20–30 см – 3,7 %.

Объектами исследований являь почва, пары и полевые культуры (озимая пшеница; рожь; твердая, мягкая пшеница; горох и ячмень) в системе пятипольного зернопарового севооборота.

Полевые опыты закладывались в системе контурно-полосного земледелия. Схема опытного участка представлена в виде 6 пятипольных зернопаровых севооборотов: пары – культуры (озимая пшеница, рожь, твердая пшеница) – мягкая пшеница – горох – ячмень. Схема опыта трехфакторная: 3A × 4B × 6С, где A – часть склона (верхняя, средняя, нижняя); B – вид пара (чистый, почвозащитный, сидеральный, занятый); С – полевые культуры (озимая пшеница, рожь, твердая пшеница, мягкая пшеница, горох, ячмень).

Делянки имели прямоугольную форму размером 80 м шириной и 160,7 м длиной. На трех повторениях опыта систематически размещались делянки 1, 2, 3, 4 и т. д. Делянки располагались по всей длине склона. Общая площадь полевого опыта составляет 60 га. Исследуемый участок разделен на три части склона: верхний уклон – 0–400 м (2–3º); средний уклон – 400– 800 м (1–2º); нижний уклон – 800–1200 м (0–1º). На всех частях склона размещены пятипольные зернопаровые севообороты. Перед закладкой полевого опыта на каждой части склона по границам делянок высевали буферные полосы из многолетних трав, шириной 20 м, длиной 500 м. По оси (середине) каждой буферной полосы высаживали однорядную кустарниковую кулису из смородины золотистой. Расстояние между кулисами по склону составляло 100 м. Многолетние травы и кулисы являлись одновременно эффективной противоэрозионной защитной полосой и границей поля на склоне.

В опыте изучались следующие виды пара: чистый пар – контроль; почвозащитный (суданской трава на сено); сидеральный (горох с ячменем); занятый (бобово-злаковая смесь на сенаж). Для посева стерневыми сеялками (СЗС-2,1) применялись районированные сорта зерновых культур (озимая пшеница – Поволжская 86, рожь – Безенчукская 87, твердая пшеница – Оренбургская 10, мягкая пшеница – Са- ратовская 42, горох – Ямал, ячмень – Первоцелинник) с нормой высева 4,0; 4,5, 4,0; 4,5; 1,2 и 3,8 млн шт. всхожих семян на 1 га соответственно. Уборка зерна полевых культур проводилась прямым комбайнированием (КЗС-1218 «ПАЛЕССЕ GS12) с измельчением соломы. Применяемая агротехнология и агротехника в пятипольных севооборотах – рекомендуемая для восточной зоны Оренбуржья.

В эксперименте для определения содержания подвижных питательных веществ (макроэлементов питания) отбирались почвенные образцы на каждой делянке (ручные пробоотборники) с трех скважин глубиной 0–30 см почвы на первом и третьем повторении опыта. Проводился анализ почвенных проб в лаборатории центра коллективного пользования Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий Российской академии наук (URL: . Содержание питательных веществ в отобранных образцах почвы определялось следующими методами: нитратный азот – ионометрическим по Тюрину, подвижный фосфор – по Мачигину, обменный калий – по Масловой. Фракционно-групповой состав гумуса определялся по методу Тюрина.

Бункерный вес зерна комбайна с каждой делянки приводился к относительной влажности и чистоте, определяя тем самым точную урожайность с 1 га пашни. Продуктивность зерна с 1 га рассчитывалась с помощью состава и питательности кормов (в 1 кг) сельскохозяйственных животных по рекомендуемым нормативным показателям А.П. Калашникова. Наблюдения, учеты, отборы образцов, анализы велись по общепринятым методикам.

Полученные данные статистически обрабатывались дисперсионным анализом и множественной регрессией с помощью программы Statistica 12.0. В результате находилась зависимость урожайности зерна твердой пшеницы от содержания подвижных форм питательных веществ в почвенном горизонте.

Результаты и их обсуждение. Для характеристики сложившихся агрометеорологических условий в годы исследований были использованы данные двух ближайших метеостанций, обслуживающих данную территорию: ГМС «Ай-дырля» – в 35 км северо-восточнее и МП «Ада-мовка» – в 30 км юго-восточнее от опытного стационара.

Погодные условия в 2017–2021 гг. значительно отличались от среднемноголетних показателей в целом за сельскохозяйственный год и по периодам года. В среднем за пять лет количество выпавших осадков за сельскохозяйственный год по данным ГМС Айдырля составляло 252 мм, или 80 % от среднемноголетней (316 мм) нормы. Из них четыре года (2017, 2018, 2020, 2021) выпадало осадков меньше нормы (222–286 мм) 70 %. В 2019 г. наблюдалось количество осадков (195 мм) еще меньше нормы – 62 %.

По данным МП Адамовка: выпадало осадков 366 мм, 118 % от среднемноголетней (311 мм) нормы, на 114 мм (45 %) больше, чем по ГМС Айдырля. Из них: 4 года (2018, 2019, 2020, 2021) осадков выпадало больше нормы (от 332 до 451 мм) на 7–45 %, один год (2017) – норма составляла 100 % (310 мм).

Обеспеченность потребности растений во влаге за счет влажности почвы и выпавших осадков за вегетационный период в 2020 г. – самая высокая (57,6 %), в 2021 г. – самая низкая (18,9 %). Неустойчивость в выпадении осадков за вегетационный период приводила к большому колебанию урожаев полевых культур.

При оценке по гидротермическому коэффициенту (ГТК), согласно Г.Т. Селянинову, условия увлажнения вегетационного периода в 2020 г. считаются засушливыми (ГТК равен 0,8–0,5) и в 2017, 2018, 2019, 2021 гг. являются сухими (ГТК < 0,5) при среднемноголетней норме 0,7.

Максимальная температура воздуха находилась в пределах 30–37 ºС, на поверхности почвы 50–63 ºС, и ежегодно была отмечена в июне, июле и августе. Во все годы исследования в критическую по влагообеспеченности фазу (колошение) роста и развития яровой пшеницы, проходит во второй декаде июля, максимальная температура воздуха доходила до 30–37 ºС и температура на поверхности почвы – до 50– 62 ºС. Такие высокие температуры воздуха и на поверхности почвы, особенно при недостаточном количестве или полном отсутствии атмосферных осадков в это время, способствуют развитию воздушной и почвенной засухи, глубокому иссушению, затвердению и уплотнению почвы, угнетению растений и резкому снижению урожайности возделываемых культур и порой приводят к частичной или полной гибели урожая.

В среднем за пять лет, по данным ГМС Ай-дырля, зимних осадков выпадало 73 мм, или 111 % к среднемноголетней норме 66 мм. Из них: три зимы (2019, 2020, 2021 гг.) многоснежные, две зимы (2017, 2018 гг.) малоснежные. Зимних осадков выпадаело соответственно 167– 117 и 54–73 % от среднемноголетней нормы.

По данным МП Адамовка: выпадало зимних осадков 130 мм, или 178 % к среднемноголетней норме 73 мм, на 57 мм (78 %) больше, чем по ГМС Айдырля. Три зимы (2019, 2020, 2021 гг.) многоснежные, выпадало осадков 200–134 мм (274–184 % к среднемноголетней норме), одна зима (2017 г.) находилась на уровне среднемноголетней нормы – 72 мм, одна зима (2018 г.) малоснежная, составляет 59 мм, или 81 % от нормы.

Стерневые агрофоны, контурно-буфернополосная организация полей на склоне крутизной 1–3º, как снегозадерживающий агрокомплекс, способствовали дополнительному накоплению и увеличению снежного покрова на полях. Это происходило за счет задержания принесенного зимними ветрами снега с других, эрозионных незащищенных полей и оказывалось высокоэффективным в подобные зимы. По результатам снегомерной съемки средняя высота снега по всем агрофонам составляла 36 см, по годам: от 26 см – в малоснежные зимы, до 41 см – в многоснежные. Запас воды в снеге составлял 110 мм. Коэффициент снего-отложения по отношению к осадкам в ГМС Ай-дырля составлял 1,51, в МП Адамовка – 0,85.

В многоснежные зимы этот агрокомплекс не может обеспечить стопроцентного задержания зимних осадков на месте их выпадения. Он не может противостоять активной ветровой деятельности в зимний период, и выпавшие в большом количестве зимние осадки сносятся в другие места, например, в 2017 и 2020 гг. они составляли 123 и 103 мм соответственно (МП Адамовка). По-видимому, максимальная снегозадерживающая возможность применяемого агрокомплекса ограничивается в пределах 103– 132 мм снеговой воды при высоте снега в 34– 41 см и его плотности 0,30–0,35 г/см3.

Рассмотрим данные по усвоению атмосферных осадков почвой, их потери в паровых полях и под культурами после пара пятипольного зернопарового севооборота. В год подъема плоскорезного чистого пара на 14–16 см в период ухода пашни в зиму наблюдался сильно иссу- шенный метровый слой почвы. Три года (2016, 2018, 2019) отмечалось отсутствие продуктивной влаги. Остаточные запасы общей влаги просматривались в интервале между влажностью завядания (ВЗ) и максимальной гигроскопичностью. Два года (2017, 2020) продуктивная влага находилась в пределах 12,6–23,5 мм в 0–30 см слое почвы. Усвоение талых вод почвой во время весеннего снеготаяния в среднем за 5 лет по всем агрофонам составляло 60 %, или 66 мм из 110 мм накопленных снеговых запасов. За начало парования, с 10.04 по 20.05, после снеготаяния в среднем за пять лет выпало 68,4 мм осадков, из них было усвоено почвой 43–44 мм (63–64 % от выпавших осадков). Мелкий (14–16 см) обработанный слой плоскорезного чистого пара легко переполнялся талой и дождевой водой. Вода застаивалась на поверхности и в значительной мере терялась на вымерзание и испарение. Этому способствовала низкая водопроницаемость нижних слоев почвы за счет их высокой плотности сложения (20–60 см = 1,47 г/см3; 60–100 см = 1,55 г/см3).

Усвоение атмосферных осадков в паровом поле в среднем за пять лет составляло за первый год парования в чистом пару 19 % (74 из 396 мм), почвозащитном, сидеральном, занятом парах – 44–40 %, за второй год парования в чистом пару – 40 % (104 из 258 мм), почвозащитном, сидеральном, занятом парах – 50– 49 %. Всего за период парования в чистом пару усвоение осадков составляло 27 % (178 из 654 мм); почвозащитном, сидеральном, занятом парах – 47–43 %.

Использование атмосферных осадков для получения урожая от начала парования до уборки твердой пшеницы составляло: по чистому пару – 36 % (266 из 742 мм) и по почвозащитному, сидеральному, занятому парам с учетом расхода влаги на получение дополнительной продукции парозанимающих культур в год парования – 53–50 %.

Атмосферных осадков для получения урожая второй, третьей, четвертой культур после пара в среднем содержится 57 % (217 из 379 мм), из них 34 % (129 мм) составляли запасы влаги в почве перед посевом и 23 % (88 мм) – летние осадки за период июнь – август.

За вегетационный период происходило частичное потребление питательных веществ (NO3, P2O5, K2O) на рост и развитие твердой пшеницы. Одна часть макроэлементов питания расходовалась на получение урожайности полевых культур, другая уходила в нижние горизонты почвы. Увеличение содержания питательных веществ наблюдается на делянках твердой пшеницы после сидерального пара на

1,0–3,5 мг/100 г почвы (табл. 1). Это накопление за период вегетации твердой пшеницы происходило за счет разложения корневых и пожнивных остатков сидеральных культур (горох с ячменем) в севообороте.

Таблица 1

Часть склона	Вид пара	Содержание и расход макроэлементов за период вегетации, мг/100 г почвы
		NO3-			P2O5			K2O
		co ф о о со	о ко со	О X	со ф о о со	о ю со	СЕ о X о	со ф о о с со	о ю со	СЕ о X о Q.
Верхняя с уклоном 2–3° (К)	Чистый	11,8	5,7	6,1-	4,2	3,0	1,2-	34,0	31,7	2,3-
	Почвозащитный	8,7	4,3	4,4-	4,0	2,8	1,2-	32,0	30,2	1,8
	Сидеральный	12,2	13,2	1,0+	4,3	4,6	0,3+	31,0	32,7	1,7+
	Занятый	9,6	8,5	1,1-	3,8	3,4	0,4-	29,6	24,3	5,3
Средняя с уклоном 1–2°	Чистый	12,3	7,8	4,5-	4,3	3,2	1,1-	36,5	33,8	2,7
	Почвозащитный	9,4	7,7	1,7-	4,1	3,7	0,4-	34,5	31,2	3,3
	Сидеральный	13,1	14,2	1,1+	4,4	4,8	0,4+	31,2	34,0	2,8+
	Занятый	10,1	8,8	1,3-	4,2	3,6	0,6-	32,1	29,0	3,1-
Нижняя с уклоном 0–1°	Чистый	13,6	7,4	6,2-	4,4	3,5	0,9-	36,9	32,5	4,4-
	Почвозащитный	9,8	7,9	1,9-	4,5	4,0	0,5-	35,4	29,1	6,3-
	Сидеральный	14,0	16,1	2,1+	4,7	5,2	0,5+	32,1	35,6	3,5+
	Занятый	11,2	8,9	2,3-	4,3	3,8	0,5-	33,1	30,0	3,1-

Примечание : К – контроль; (–) – расход макроэлементов; (+) – увеличение содержания макроэлементов в почве.

Содержание подвижных форм питательных веществ под посевами твердой пшеницы в зависимости от предшествующего вида пара и части склона в 0–30 см слое почвы (2017–2021 гг.)

Наибольшее содержание гумуса в почве отмечалось в нижней части склона от 3,65 до 3,81 % (табл. 2). Преимущество по содержа- нию гумуса имел сидеральный пар и на верхней части склона составлял 3,20 %; на средней – 3,31; на нижней – 3,81 %.

Влияние вида пара и части склона на содержание гумуса в пахотном слое почвы, % (2017–2021 гг.)

Таблица 2

Вид пара	Часть склона
	верхняя (контроль)	средняя	нижняя
Чистый	3,17	3,21	3,65
Почвозащитный	3,18	3,25	3,72
Сидеральный	3,20	3,31	3,81
Занятый	3,19	3,28	3,75

Данные учета урожайности показали, что из четырех возможных урожаев озимой пшеницы и ржи по чистому пару получен только один в 2019 г. Урожайность озимой пшеницы (Поволжская 86) и ржи (Безенчукская 87) составляет соответственно 2,04 и 1,96 т/га, на 0,40 и 0,48 т меньше, чем у твердой пшеницы (Оренбургская 10) по чистому пару. В 2018 и 2021 гг. озимые культуры вымерзли и погибли. Под урожай 2020 г. их не высевали из-за иссушенности 0– 30 см слоя почвы на чистом пару в 2019 г. Подтверждается многолетняя практика целинного земледелия (более 40 лет) о неоправданности риска возделывания озимых культур в жестких климатических условиях степной и сухостепной зон Оренбургского Зауралья. Стабильных урожаев озимых культур, даже по чистому пару, получить не удается.

Урожайность яровых зерновых культур с 1 га в среднем за пять лет (2017–2021 гг.) по вариантам опыта составила: твердая пшеница (Оренбургская 10) – 2,02 т, практически одинаковая по всем видам пара (чистый, почвозащитный, сидеральный, занятый); мягкая пшеница (Саратовская 42), вторая культура после пара – 1,71; горох (Ямал), третья культура после пара – 0,96; ячмень (Первоцелинник), четвертая культура после пара – 1,74 т (табл. 3).

Таблица 3

Паровое поле	Полевая культура
	Твердая пшеница	Мягкая пшеница	Горох	Ячмень
Чистый пар (контроль)	2,02	1,71	0,96	1,74
Почвозащитный пар	2,19	1,80	1,15	1,82
Сидеральный пар	2,25	1,88	1,27	1,85
Занятый пар	1,98	1,66	0,90	1,70
НСР 05	0,92	0,18	0,82	0,55

Урожайность яровых зерновых культур в пятипольных севооборотах в зависимости от вида пара в среднем по склону, т/га

Максимальная разница в урожайности с 1 га от последействия различных видов пара составила: у мягкой пшеницы (Саратовская 42) – 0,06 т (3,6 %) в пользу чистого пара; у гороха (Ямал) – 0,03 т (3,2 %) в пользу почвозащитного; у ячменя (Первоцелинник) – 0,04 т (3,4 %) в пользу чистого и почвозащитного. То есть разница прослеживалась, но она была незначительна и для практики земледелия большого значения не имела. Средняя урожайность зерновых культур по опыту составила 1,61 т, в том числе яровой пшеницы – 1,86 т/га. Выход зерна с 1 га севооборота находился в пределах 1,29 т.

В результате рассчитанной множественной регрессии установлена взаимосвязь между почвенными макроэлементами питания и урожайностью твердой пшеницы, так как уровень значимости меньше 0,01 при стандартной ошибке оценки 0,7. На основании обработки результатов выявлено совместное влияние подвижных форм питательных веществ на увеличение урожайности зерна твердой пшеницы, их доля составила: по нитратам – 30,6 %; оксиду фосфора – 28,6 и оксиду калия – 39,5 % (табл. 4).

Таблица 4

Зависимость урожайности зерна твердой пшеницы после сидерального пара в пятипольном севообороте на склоне в зависимости от подвижных форм питательных веществ за вегетационный период (2017–2021 гг.)*

Независимая переменная	Множественная регрессия							СК СК с; s о I d § с; m
	Коэффициент			Стандартная ошибка		Стьюдента (2)	p -уровень
	бета	регрессии	дельта	β	b
Свободный член	–	52,7	–	–	5,1	10,3	0,00	–
NO 3 -	1,2	2,5	0,3	0,1	0,2	8,9	0,01	30,6
P 2 O 5	0,5	4,3	0,2	0,0	0,6	6,4	0,02	28,6
K 2 O	–1,4	-1,9	0,4	0,1	0,1	–11,2	0,00	39,5

*Коэффициент корреляции – 0,9; детерминации – 0,9; критерий Фишера (3,2) – 57,2; стандартная ошибка оценки – 0,7 при p < 0,01.

Урожайность парозанимающих культур с 1 га в среднем за 5 лет составила: зеленой массы суданской травы в почвозащитном паре – 9,85 т (2,17 тыс. корм. ед.); зеленой массы бобовозлаковой смеси (горох с ячменем) в занятом и сидеральном парах – 7,95 (1,67), зеленой массы суданской травы в буферных полосах – 10,25 т (2,26 тыс. корм. ед.).

Продуктивность различных видов пара с учетом основной и дополнительной продукции, полученной в почвозащитном, сидеральном и занятом парах в год парования в предыдущем году (твердая пшеница по пару и парозанимающая культура), в кормовых единицах с 1 га составляет: 1) чистый пар (контроль, без дополнительной продукции) – 2,54 тыс.; 2) почвозащитный, с летним посевом суданской травы – 4,70 тыс.; 3) занятый и сидеральный с весенним посевом бобово-злаковой смеси – 4,37– 4,32 тыс.

В среднем продуктивность почвозащитного, сидерального и занятого паров за первую ротацию севооборота (2017–2021 гг.) составила 4,46 тыс. корм. ед/га, или 175,5 % по отношению к чистому пару.

Заключение. Таким образом, на основании изучения сохранения и рационального расходования влаги установлено усвоение атмосферных осадков паровыми полями, и в среднем за 5 лет оно составило за первый год парования в чистом пару 19 %; в занятых парах – 40–44; за второй год в чистом пару – 40 %; в занятых – 49–50 %. Почвозащитный, сидеральный и занятый пары, в сравнении с чистым, способствуют повышению продуктивности пашни, не снижая урожайности зерна твердой пшеницы. С учетом дополнительной продукции, по- лученной на этих парах в год парования, увеличивается продуктивность 1 га пашни в сравнении с чистым паром на 1,66–2,18 тыс. корм. ед., или в 1,7–1,9 раза. Исследованиями подтверждена многолетняя практика целинного земледелия о неоправданности риска возделываемых культур в жестких климатических условиях сухостепной зоны Оренбургского Зауралья, из четырех урожаев озимой пшеницы и ржи по чистому пару получен только один в 2019 г. – соответственно 2,04 и 1,96 т/га. Включение в пятипольные севообороты на склоновых почвах занятых паров способствует сохранению и повышению почвенного плодородия. Содержание гумуса в севообороте с сидеральным паром увеличивается на 0,12 %, с почвозащитным – на 0,07 % по сравнению с чистым паром в нижней части склона.