The spatial adaptation of farming systems to the heterogeneity of plots

Full Text

Введение

Под системой земледелия понимают комплекс связанных друг с другом мероприятий для производства растениеводческой продукции. Причем этот комплекс должен быть направлен не только на максимизацию выхода продукции, но также и на рационализацию использования земель и производительных сил [1].

В идеале чем более полно и рационально система земледелия использует ресурсный потенциал земель, тем она более экономически эффективна и экологически безопасна.

Под ресурсным потенциалом земель понимаются потенциальные возможности их использования в том или ином качестве [2]. Он определяется свойствами (с учетом пространственного варьирования) рельефа, почв и климатических условий земельного участка или какой-либо территории. В большинстве случаев рельеф, почвы и климат земельных участков, используемых для возделывания растениеводческой продукции, пространственно неоднородны. Так, например, агрономически важные свойства почв могут изменяться в пространстве на расстоянии в метры и десятки сантиметров [3]. Практически все поля обладают микрорельефом с неоднородностями в метры и десятки метров [4, 5]. Это, наряду с другими факторами (например, близость лесополос или водных объектов), часто обусловливает присутствие на полях микроклиматических зон, пространственный размер которых также может иметь десятки метров [6].

В результате землепользователь сталкивается с ситуацией, когда на его земельных участках существует достаточно большая пестрота свойств почв, климата и рельефа (далее — пестрота полей). Теоретически, мероприятия для каждого из однородных (точнее, псевдооднородных) выделов этой пестроты в идеале должны быть разными. Только в этом случае ресурсный потенциал земельного участка будет использоваться максимально полно. Но на практике реализовать это невозможно по разным причинам.

Ретроспективный анализ и сравнение полноты использования ресурсного потенциала земель в современных системах земледелия

Во времена до возникновения почвоведения как науки землепользователи практически не имели точной информации о пространственном варьировании потенциального плодородия земель их участков и достаточных знаний о влиянии разных факторов на урожайность сельскохозяйственных культур. Поэтому пестрота земельных участков при возделывании сельскохозяйственных культур очень редко принималась во внимание, и культура возделывалась без ее учета. Основным критерием была практика. Если на каком-то участке культура не давала урожая, то она на нем больше не возделывалась.

После земельно-оценочных работ В.В. Докучаева в конце девятнадцатого века [7] при планировании систем земледелия стали учитывать и неоднородности почвенного покрова, но в основном на уровне почвенных зон и провинций, без учета микронеоднородностей земель конкретных участков.

В начале XX в., при переходе к административно-централизованной системе хозяйствования и появлении крупной сельскохозяйственной техники в стране, неоднородности свойств земель стали учитываться более полно, но все еще не на микроуровне. В это время разрабатывались системы земледелия, ориентированные на крупные земельные участки, но по сути они оставались зональными.

Лишь со второй половины XX в. все большее внимание стали обращать на пестроту полей. Появилось учение о структуре почвенного покрова [3], а также работы по изучению микроклимата полей [8]. В результате этих исследований было установлено, что без учета микронеоднородностей рельефа, почв и климата полностью использовать ресурсный потенциал земель не удастся.

Именно эти научные достижения во многом послужили основой для создания теории адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ) [9], которая подразумевала более полный по сравнению с зональными системами, учет пестроты полей. Внедрение АЛСЗ явилось революционным шагом в повышении полноты использования ресурсного потенциала земель в сельском хозяйстве, но так и не позволило эксплуатировать его целиком.

В рамках АЛСЗ на основе информации о рельефе и почвах выделяются квазиоднородные участки, которые типизируются по тем неоднородностям, которые в них встречаются. И с учетом специфики этих неоднородностей для каждого типа участка разрабатываются рекомендации по их оптимальному использованию. При типизации участков опираются на информацию о структуре почвенного покрова [10]. Рекомендации разрабатываются под использование конкретных технических средств, которые не работают на микроуровне. Таким образом, фактически микронеоднородности полей определенным образом классифицируются и каждому классу разрабатывается свой набор рекомендаций по использованию земель. При этом учитывается практически весь набор свойств почв, который может оказывать влияние на возделывание сельскохозяйственных культур (включая свойства всего профиля почв, уровня и химического состава грунтовых вод). По полноте учета свойств почв и микрорельефа АЛСЗ не имеет конкурентов в мире. Но при этом работа в рамках АЛСЗ не ведется на уровне элементарных почвенных выделов, а на уровне их ассоциаций, т. е. структуры почвенного покрова.

Следующим шагом в направлении повышения полноты использования ресурсного потенциала земель при возделывании сельскохозяйственных культур послужили разработки в области научного обоснования систем точного земледелия [11]. Их возникновение в конце XX в. было обусловлено появлением технических возможностей точного, оперативного и дешевого определения географических координат на местности, а также созданием сельскохозяйственной техники, способной выполнять агротехнические операции по заданным координатам с точностью в несколько метров. Это позволило учитывать микронеоднородности почв на уровне элементарных почвенных ареалов, что в рамках АЛСЗ в большинстве случаев не делается.

Но практика показала, что внедрение систем точного земледелия также не позволяет полностью эксплуатировать ресурсный потенциал земель. Связано это со следующим.

В рамках систем точного земледелия в большинстве случаев речь идет лишь о точном внесении удобрений (реже о точном орошении). В офлайн системах перед внесением удобрений оценивается содержание питательных веществ в почвах традиционными способами или на основе дистанционной оценки состояния посевов. По полученным данным в ГИС составляется карта потребности во внесении удобрений. Эта карта подгружается в бортовой компьютер сельхозтехники, и удобрения вносятся локально на основе этой карты. В онлайн системах точного земледелия речь идет лишь о том, что с использованием дистанционных датчиков, определяющих состояние посевов, определяются участки, где состояние хуже, чем должно быть в конкретную фазу развития растений, и сразу же на эти участки вносятся дополнительные удобрения. Аналогично работают системы и при регулировании орошения.

Таким образом, в системах точного земледелия речь идет лишь о регулировании отдельных свойств почв. В большинстве случаев о содержании доступного азота и о содержании влаги в почвах. Поэтому основные датчики, используемые в системах точного земледелия, — это N-тестеры, функционирующие на анализе светоотражения посевов, а также датчики, измеряющие электропроводность пахотного горизонта почв [12]. Экспериментально используются также датчики плотности пахотного горизонта почв [13].

Следовательно, в системах точного земледелия упор сделан не на учет пестроты почв рабочих участков и адаптации к ним, а на попытки выровнять эту пестроту, полностью удалить ее влияние. Причем иногда для этого прибегают даже к полной планировке участков с целью удаления микрорельефа ^[1]. Но таким образом нельзя удалить пестроту почвенного покрова, можно лишь еще больше ее контрастировать.

В отдельных случаях декларируются планы при накоплении многолетних данных при использовании систем точного земледелия обобщить их и выделить зоны на полях, где неоднородности рельефа, почв и микроклимата влияют всегда, чтобы впоследствии учитывать присутствие подобных зон на постоянной основе [14]. Но эту идею вряд ли можно считать выполнимой на практике. Неоднородности посевов могут быть обусловлены очень многими факторами, которые по-разному влияют для разных культур в разные фазы развития в разных метеорологических условиях на разном почвенном фоне. Попытки накоплении подобных данных в течение длительного времени приведут к тому, что за это время уже произойдет смена сортов возделываемых культур и севооборотов и ранее накопленные данные станут неприменимы к этим новым сортам и севооборотам. В результате поставленная задача окажется невыполнимой.

Таким образом, если в АЛСЗ учитывается весь набор свойств почв и земель, предопределяющих рост растений и их возделывание, то в системах точного земледелия учитываются лишь некоторые из них. АЛСЗ опираются на весь багаж накопленных знаний в области почвоведения и земледелия, в то время как системы точного земледелия этот научный опыт практически не принимают во внимание. Адаптация к ландшафтным условиям в системах точного земледелия отсутствует, так как опора делается на анализ тех пространственных неоднородностей, которые проявляются по ходу конкретного вегетационного сезона.

АЛСЗ и системы точного земледелия отличаются также ориентацией на определенный масштаб. Если АЛСЗ оптимальны для внедрения на относительно больших площадях (порядка нескольких тысяч гектар), то для систем точного земледелия оптимальными для внедрения являются отдельные поля. Соответственно, сельскохозяйственная техника для АЛСЗ не предназначена для учета локальных внутриполевых неоднородностей, а техника для систем точного земледелия, наоборот, наиболее эффективна для их учета. Одновременно она гораздо дороже, и эти вложения часто значительно превышают получаемые преимущества учета неоднородностей отдельных полей на многие годы вперед.

Выводы

Следовательно, на современном этапе развития систем земледелия пестрота почв и земель и, соответственно, их ресурсный потенциал, наиболее полно учитываются в АЛСЗ и системах точного земледелия. В будущем, без сомнения, стоимость внедрения систем точного земледелия будет уменьшатся за счет удешевления технических средств. Но без внедрения в идеологию систем точного земледелия научно-методического обоснования учета пестроты почв и земель участков (как это делается в АЛСЗ), а не только неоднородностей самих посевов, повышение полноты использования ресурсного потенциала земель вряд ли может быть достигнуто.

Другим важным направлением повышения полноты использования ресурсного потенциала земель является развитие нового научного направления — эконики, в рамках которого планируется создание новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур, которые могут быть адаптированы к отдельным пространственным компонентам пестроты полей (локально лимитирующим рост сельскохозяйственных растений).

Также теоретически можно рассуждать о полной нивелировке пестроты полей. Кроме выравнивания микрорельефа могут быть выравнены и агрономически значимые свойства почв путем создания на больших площадях искусственных плодородных грунтов, как это делается, например, в настоящее время в теплицах и на отдельных дачных участках населения. Но подобные изменения вряд ли можно ожидать на больших территориях в ближайшие десятилетия.

 

^{1 Даренских С. Планировка полей с системой Trimble Field Level II // ГлавПахарь. Режим доступа: https: // glavpahar.ru/articles/planirovka-poley-s-sistemoy-trimble-field-level-ii}

About the authors

Igor Yu. Savin

RUDN University; Dokuchaev Soil Science Institute; Belgorod State University

Author for correspondence.
Email: savin_iyu@esoil.ru
ORCID iD: 0000-0002-8739-5441

Doctor of Agricultural Sciences, Academician of the Russian Academy of Sciences, Professor, Faculty of Ecology, Peoples’ Friendship University of Russia; Deputy Director, Federal Research Center - Dokuchaev Soil Science Institute; Professor, Belgorod State University

8 Miklukho-Maklaya st. Moscow, 117198, Russian Federation; 7/2 Pyzhevsky line, Moscow, 109017, Russian Federation; 85 Pobedy st., Belgorod, 308015, Russian Federation

References