Точные агротехнологии как высшая форма интенсификации адаптивно-ландшафтного земледелия

В.И. Кирюшин, академик РАСХН

В самые последние годы многочисленное семейство определений земледелия пополнилось еще одним - «точное земледелие». Его появление в варьирующих терминах и неоднозначном понимании вызвало противоречивую реакцию, которая наложилась на размытость понятийного аппарата систем земледелия и их чрезвычайное многообразие, не всегда обоснованное. В самом деле, существующий список систем земледелия насчитывает десятки новых названий: ландшафтные, адаптивные, экологические, биологические, эколого-ландшафтные, ландшафтно-адаптивные и т.п. наряду с более ранними: почвозащитная, контурно-мелиоративная, почво-водоохранная, зональная и др., не говоря уже о традиционных названиях: травопольная, пропашная и т.д. Перманентно фигурируют альтернативные категории: биодинамическая, органическая.

Такое положение нередко вызывает недоумение и протест. В самом деле практическому земледельцу и даже научному работнику непросто разобраться в существе проблемы. Можно назвать несколько причин этого положения как объективных, так и субъективных. Главная причина - поиск оптимальных вариантов экологизации земледелия, дальнейшей его дифференциации в соответствии с различными природными условиями в развитие зональных систем земледелия. Другая причина - приобщение к теоретическому земледелию специалистов из различных областей науки - экологов, географов, ландшафтоведов и других, которые привносят понятия и термины, слабо интегрированные с земледельческими категориями. Определенное место занимают всевозможные гипотезы-однодневки, нередко спекулятивного характера. Весьма серьезной причиной является крайняя разобщенность исследований вследствие неудовлетворительной организации науки, дезинтеграции ВУЗов и НИИ, подразделений РАСХН. Одним из следствий слабой координации работ является, например, перекос научно-исследовательских программ в сторону систем земледелия для сложных эрозионных ландшафтов. Раньше их называли контурно-мелиоративными, затем   почво-водоохранными, теперь ландшафтными. Очень часто под словосочетаниями с участием термина «ландшафтная» понимаются именно противоэрозионные мелиоративные системы земледелия с валами, террасами, канавами и т.п.  Такого рода «флюс» не только не оправдан, но и вреден, поскольку первоочередными объектами интенсификации должны быть благополучные земли, а эрозионные следует трансформировать в соответствующие безопасные в эрозионном отношении угодья и пашни с противоэрозионной организацией территории, что, разумеется, не исключает гидротехнических мелиораций при соответствующем эколого-экономическом обосновании.

Наконец, следует подчеркнуть, что  серьезной причиной многих не проверенных на практике предложений под различными названиями является слабая востребованность научных разработок современным  сельскохозяйственным товаропроизводителем,  пребывающим в состоянии кризиса. По мере выхода из этого состояния земледельческая практика отсеет плевел и отберет рациональные зерна.

Многообразие и разноречивость позиций в российском теоретическом земледелии напоминает ситуацию, сложившуюся в земледелии западноевропейских стран и США в 80-х годах. Тогда в земледельческой литературе появилось множество вариантов систем земледелия с различными ограничениями интенсификации и требованиями  экологизации (регенеративная, conservation farming, appropriable technology - в США, пермакультура в Австрии, low-input в США и Европе и др.).

Это была реакция на первые результаты агротехнологической революции 70-х годов, которая вместе с ошеломляющими успехами принесла экологические риски, связанные, в особенности, с химическим загрязнением окружающей среды и продукции. В качестве наиболее радикальных форм стихийного протеста против интенсификации земледелия декларировались альтернативные системы земледелия (биодинамическая, органическая и др.), отрицавшие применение агрохимических средств.  Корни этих систем уходят в 20-30 годы (биодинамическая система Р.Штайнера, органобиологическая Г.Мюллера и др.). Они возникли как протестные акции еще в период интенсивных преобразований земледелия в начале 19 века, связанных с освоением плодосмена и применением минеральных удобрений.

Лозунги «назад к природе», «без химии» часто декларировались на протяжении 20 века во избежание экологических рисков. Между тем реальное разрешение традиционных противоречий между интенсификацией и экологизацией земледелия лежит не в ностальгических иллюзиях, не в отказе от достижений аграрной цивилизации,  без которых не прокормить возрастающее население, а в дальнейшей интенсификации производства, но уже на новом витке научно-технического прогресса - с использованием более наукоемких агротехнологий с точным выполнением технологических операций, резко сокращающих экологические риски. Такого рода интенсификация земледелия в рамках экологического императива с развитием биологизации в сочетании с новейшими достижениями техники, химии и других знаний получила название интегральной.

После длительных и ожесточенных дискуссий на Западе такая идеология сложилась как наиболее признанная.

В последние 10 лет темпы интенсификации агротехнологий на Западе продолжали возрастать и ряд стран перешли рубеж средней урожайности зерновых 5 т/га. Средняя урожайность пшеницы за 1992 - 2000 г составила в Германии 7 во Франции 6,9 т/га, а в Великобритании в последние годы она достигла 8 т/га. Примечательно, что рост урожайности осуществлялся при относительно стабильном среднем уровне применения минеральных удобрений в Западной Европе (порядка 170 кг д.в. на гектар посева). Высокая эффективность земледелия по всем показателям достигалась за счет создания высокопродуктивных сортов растений, устойчивых к вредным организмам и совершенствования агротехнологий, в особенности защиты растений от вредных организмов, регулирования питания растений путем локального внесения минеральных удобрений, многократных подкормок, использования новейших биопрепаратов, более полного и эффективного применения органических удобрений. Соответственно окупаемость минеральных удобрений продукцией в этих странах сильно возросла, в частности зерновых до 15 кг зерна за 1 кг д.в. и более.

Все новые и новые требования к продуктивности земледелия, экологической безопасности, качеству продукции сильно усложняют задачи технологов в связи с расширением набора технологических операций, их дифференциацией в соответствии с почвенно-ландшафтными параметрами и изменяющимися погодными, фитосанитарными и хозяйственными условиями. Учесть все эти факторы и обеспечить точное выполнение технологических операций возможно лишь при использовании современных электронных средств информатизации и прецизионных устройств. Все это предопределяет качественный скачек в развитии земледелия - новый его этап, складывающийся в самые последние годы под названием точного земледелия (precision agriculture) или ему подобными prescription farming (земледелие по предписанию) координатное земледелие и т.п.

Задачи интенсификации земледелия сильно осложняются с усилением неоднородности почвенно-ландшафтных условий. В Западной Европе первоочередными объектами интенсификации были лучшие земли, в то время как большинство маргинальных земель трансформировались в рекреации, парки и т.п. В последние годы проявляется интерес к интенсификации использования более сложных земель. Соответственно в литературе появились работы, в которых делается акцент на дифференцированное внесение удобрений, мелиорантов, средств защиты растений в соответствии с неоднородностью почвенного покрова и других условий.

В России зарубежные работы по точному земледелию не только нашли отклик в информационных обзорах, но и были предприняты попытки исследований в этом направлении, касающиеся в частности, дифференцированного внесения минеральных удобрений в связи с неоднородностью почвенного покрова. Как и все другие, это направление приобрело автономный характер, но без глубокой концептуальной проработки. Очевидно, перечисленный выше набор систем земледелия, пополнившийся новой категорией, требует основательного структурирования, ранжирования, чтобы можно было идентифицировать место каждой категории в их иерархии.

Данная задача была решена в рамках развитых нами представлений об адаптивно-ландшафтных системах земледелия как категориях, которые обусловлены определенной совокупностью факторов, включающих: рынок продукции, агроэкологические требования растений, агротехнологические параметры земель, производственно-ресурсный потенциал (уровни интенсификации производства), хозяйственные уклады, природоохранные требования (экологический императив). Это означает, что адаптивно-ландшафтные системы разрабатываются применительно к определенным агроэкологическим группам земель (плакорным, эрозионным, переувлажненным и т.д.) с учетом ландшафтных связей,  различным уровням интенсификации производства и хозяйственным укладам с учетом экологических ограничений. В соответствии с названными условиями и с учетом традиционных критериев (формы использования земли, мелиоративные преобразования и др.) разработана классификация систем земледелия (табл 1). Как видим, точные адаптивно-ландшафтные системы земледелия занимают в ней место, отвечающее наиболее высокому уровню интенсификации производства. Они являются высшей альтернативой экстенсивным формам земледелия и в определенной мере биодинамическому или органическому земледелию. Эти формы также находят свое место в классификации по условиям особо жестких экологических ограничений. Перспективы их использования ограничены возможностями поступления органических удобрений. Пропаганда биологического, или органического земледелия без применения агрохимических средств как панацеи или магистрального пути относится к области иллюзий.

Таблица 1

Классификация адаптивно-ландшафтных систем земледелия

Пример: Западносибирская лесостепная зерно-кормовая противоэрозионная интенсивная система земледелия на холмисто-увалистых равнинах с выщелоченными черноземами

Адаптивно-ландшафтные системы земледелия реализуются пакетами агротехнологий, приуроченных к различным агроэкологическим типам земель и уровням интенсификации производства. В табл 2 представлены характеристики агротехнологий различных уровней. Как видим, высокоинтенсивные или точные агротехнологии занимают особое положение. Они создаются для особых сортов растений с высоким генетическим потенциалом продуктивности и качества продукции, который реализуется точным регулированием продукционного процесса по микропериодам органогенеза различными средствами. Для этого необходимы дружный рост и развитие растений, что обеспечивается точным размещением семян на одинаковую глубину в условиях исключительно ровной поверхности на производственных участках с однородным почвенным покровом и оптимальными условиями увлажнения, теплообеспеченности, почвенного плодородия. Подбор таких участков - необходимое условие высокой эффективности технологии. Почвенно-микроландшафтная неоднородность сильно усложняет технологический процесс в связи с необходимостью маневрирования технологическими операциями в изменяющихся режимах доз удобрений, препаратов и т.п. По мере усложнения почвенно-ландшафтных условий ограничиваются возможности интенсификации агротехнологий без специальных мелиораций, или она исключается. Например, при наличии почвенных мозаик, ташетов повышенной контрастности, почвенных комплексов с западинным микрорельефом полностью исключаются не только высокоинтенсивные агротехнологии, но интенсивные. На комплексах с участием пятен солонцов, глееватых и других неблагополучных почв с относительно благоприятным микрорельефом возможно применение интенсивных и, ограниченно, высоких технологий после их мелиорации и т.д. Одним словом, путь к высокоинтенсивному использованию земель лежит через понимание многообразных почвенно-ландшафтных условий, их агроэкологическую идентификацию и отбор подходящих производственных участков.

В случае высокой агротехнологии ставится задача последовательной оптимизации всех регулируемых лимитирующих факторов,  максимально возможного использования ФАР, тепла, влаги и генетического потенциала сортов растений. Важно при этом понимать, что любое нарушение продукционного процесса  вследствие природных катаклизмов или технологических ошибок может резко снизить эффективность агротехнологий. Очевидно, ориентироваться на максимальную интенсификацию технологий целесообразно в относительно благополучных природных условиях с минимальной вероятностью стрессовых ситуаций (засуха и пр.) при высоком профессионализме исполнителей, вооруженных последними достижениями научно-технического прогресса.

Таблица 2

Сравнительная оценка агротехнологий различного уровня интенсификации.

Применение высоких технологий сводит к минимуму экологические риски химического загрязнения по сравнению с интенсивными агротехнологиями и предотвращает деградацию почв и ландшафтов по сравнению с нормальными и тем более экстенсивными агротехнологиями. В первом случае это происходит благодаря применению сортов растений устойчивых к вредным организмам (в том числе трансгенных) и соответственно химических обработок, использованию высокоэффективных биопрепаратов,  точному внесению под растения и на растения агрохимических средств, повышению роли биологического азота в азотном балансе агроценозов. Во втором случае важное значение имеет сокращение уплотняющего воздействия на почву движителей машин благодаря постоянной технологической колее, обогащение почвы растительными остатками вследствие повышения продуктивности агроценозов, регулирование почвенных режимов.

Фактический уровень интенсификации агротехнологий в хозяйстве выбирается в зависимости от производственно-ресурсного потенциала товаропроизводителя. При наличии сортов интенсивного типа и агрохимических ресурсов, необходимых для оптимального питания растений и интегрированной защиты от вредных организмов, практикуются интенсивные технологии с постоянной технологической колеей для ухода за посевами. Уровень и качество урожая планируются в них исходя из нормативов влагопотребления и других достаточно высоких показателей реально достигнутых в передовых хозяйствах региона с использованием отечественной техники. Для выполнения этих технологий требуется достаточно высокая профессиональная подготовленность агрономов-технологов, ибо ошибки и необоснованные сокращения технологических операций сводят на нет все усилия и затраты.

Если не позволяет уровень квалификации специалистов, обеспеченность ресурсами или агроэкологические условия сельскохозяйственного предприятия (засушливость климата, сложный почвенный покров, рельеф и др.), следует ориентироваться на нормальные агротехнологии, выполняемые с учетом защиты почв от эрозии и дефляции, в которых используются пластичные сорта растений, агрохимические средства применяются в режиме компенсации острых дефицитов элементов питания, устранения повышенной кислотности, солонцеватости почв и защиты растений от вспышек вредных организмов. Данные технологии отвечают среднему уровню агрономической культуры.

Особняком стоят экстенсивные агротехнологии, рассчитанные на использование естественного плодородия. Они сопровождаются деградацией почв и ландшафтов, поскольку почвозащитные мероприятия (мульчирующая обработка почвы и др), как правило, невозможны без применения агрохимических средств. Преобладание экстенсивного земледелия в стране, высокая распаханность огромных территорий при низкой урожайности и невысоком качестве продукции - свидетельство несостоятельной экономики. Скорейший выход из экономического кризиса - первостепенная задача. Она декларирована Президентом страны как удвоение ВВП в ближайшие годы. Если ориентироваться на удвоение урожайности зерновых, то это означает достижение 3 т/га, т.е. среднемирового уровня. Учитывая, что в степных районах среднеклиматически обеспеченная урожайность зерновых колеблется в пределах 1,5-2,5 т/га, для выхода на указанный рубеж в лесостепной и таежно-лесной зонах необходимо ориентироваться на 4-5 т/га и более, то есть на использование интенсивных и высоких агротехнологий.

В данной плоскости  со всей полнотой встает задача адаптивной интенсификации земледелия, то есть освоения адаптивно-ландшафтных систем земледелия с пакетами агротехнологий различных уровней интенсификации с возрастающим приоритетом высокоинтенсивных. Соответственно будет возрастать роль точного земледелия как высшей формы интенсификации адаптивно-ландшафтного земледелия, включающей наукоемкие агротехнологии высокой интенсивности и экологической безопасности с заданным качеством продукции, выполняемые прецизионными автоматизированными техническими средствами на основе ГИС. Точное земледелие предполагает:

1.     Проектирование АЛСЗ и агротехнологий на основе электронных ГИС.

2.     Выделение производственных участков с относительно однородным почвенным покровом и оптимальными условиями увлажнения, теплообеспеченности и почвенного плодородия.

3.     Прецизионную предпосевную обработку почвы, точный посев, дифференцированное внесение удобрений и других агрохимических средств в соответствии с микроструктурой почвенного покрова и состоянием посевов.

4.     Регулирование продукционного процесса специальных сортов растений по микропериодам органогенеза с использованием самонастраивающихся автоматизированных средств на основе электронных систем управления.

5.     Идентификацию состояния посевов, прогноз урожайности и качества продукции на основе автоматизированных дистанционных систем наблюдения, картирование урожайности в процессе уборки.

Высокие технологии нуждаются в адекватном программном обеспечении, включая агроэкологическую оценку земель, их картографирование, автоматизированное проектирование, управление продукционным процессом, весь комплекс агротехнических операций и элементов составляющих адаптивно-ландшафтную систему земледелия. Вся эта работа базируется на геоинформационных системах.

На кафедре почвоведения МСХА разработана методика проектирования интенсивных агротехнологий и в целом адаптивно-ландшафтных систем земледелия с использованием ГИС-технологий. Базовая географическая информационная система включает совокупность электронных карт с компьютерной базой данных, привязанных к каждому контуру, аппаратно-программное обеспечение и набор программных средств, позволяющих вводить, хранить, анализировать и обрабатывать пространственную информацию. Основная информация формируется в процессе почвенно-ландшафтного картографирования земель, выполняемого по материалам аэрофотосъемки, топографическим картам и данным специальных полевых и лабораторных исследований. Результаты изысканий представляются послойно в виде электронных карт форм и элементов мезорельефа, крутизны склонов, их экспозиции, микрорельефа, почвообразующих пород, гидрогеологических условий, эрозии почв, структур почвенного покрова и др. Путем наложения карт-слоев составляется электронная карта элементарных ареалов агроландшафта (ЭАА), каждый из которых снабжается банком данных агроэкологической оценки (теплообеспеченность, влагообеспеченность, показатели рельефа, почвенного покрова, почв и т.д.). На основе этой базовой карты   формируется электронная карта агроэкологических типов земель путем объединения ЭАА близких по условиям возделывания сельскохозяйственных культур. При этом идентифицируются ландшафтные связи, которые учитываются при организации территории. В пределах контуров агроэкологических типов земель проектируются поля севооборотов и производственные участки. Они характеризуются банками агроэкологических показателей, которые в дальнейшем пополняются сведениями об их использовании, урожайности и т.п. по схеме истории полей. Данная работа развивается в плане разработки систем автоматизированного проектирования. Кроме этих функций, реализуемых в среде ГИС, важную задачу представляет развитие функций моделирования, поскольку методологической основой высокоинтенсивного адаптивно-ландшафтного земледелия служат математические модели агроландшафтов, агроценозов и, в особенности, динамические имитационные модели различных процессов, количественная идентификация которых необходима для принятия оптимальных решений при проектировании и освоении систем земледелия и агротехнологий. Основой для построения систем земледелия в идеале должны быть базовые математические модели, построенные на изучении системных взаимодействий между блоками и элементами земледелия (севооборот, обработка почвы, удобрение, защита растений, сроки посева, нормы высева и т.д.) в многофакторных полевых экспериментах. Для оперативного управления формированием урожая нужны модели продукционного процесса конкретных сортов сельскохозяйственных растений.

Методы моделирования продукционных процессов были разработаны в России еще в 70-80-х годах в работах по программированию урожаев (И.Ф. Бондаренко, Е.Е. Жуковский, Р.А. Полуэктов, И.С. Шатилов и др.). Необходимо их развитие с учетом новейших средств информационного обеспечения с доведением до практических решений.

Реализация высоких, точных агротехнологий связана с применением сельскохозяйственных машин, способных автоматически настраиваться на различные режимы работы и изменение их по ходу  движения агрегата по полю в соответствии с ситуацией, отображаемой ГИС. Эта ситуация фиксируется в точных координатах с помощью глобальной системы позиционирования (GPS и ГЛОНАСС). С помощью этих систем управляются машинные агрегаты, обеспечивающие дифференцированное  проведение технологических операций с учетом неоднородностей почвенного и растительного покрова, различного состояния посевов по обеспеченности элементами питания, пораженности болезнями и вредителями, засоренности и др. Приемники глобальных позиционных систем, устанавливаемые на сельскохозяйственных машинах, пеленгуют сигналы со спутников, находящихся в зоне приема. В комплект оборудования для точных агротехнологий входят: антенна, дистанционные и бортовые датчики, компьютерное устройство с программным обеспечением,  исполнительные органы сельскохозяйственной техники, приспособленные для работы в автоматическом режиме.

Все это на первый взгляд может показаться чем-то близким к экзотике на фоне плачевного состояния отечественного земледелия. Однако точное земледелие все активнее  заявляет о себе и по сути дела означает очередной этап  мировой агротехнологической революции.  Нужна активная государственная технологическая политика и эффективное научное обеспечение последовательных этапов развития адаптивно-ландшафтного земледелия и агротехнологий с возрастающей наукоемкостью и эколого-экономической эффективностью.  Первоочередным выражением такой политики должна стать практическая реализация моделей современного земледелия в учебных хозяйствах сельскохозяйственных ВУЗов и опытных хозяйствах зональных научных учреждений.

Кирюшин В.И. Точные агротехнологии как высшая форма интенсификации адаптивно-ландшафтного земледелия