Способ использования пленки на склоне при выращивании культур в условиях гумидного климата на полях
METHOD OF USING FILM ON SLOPE WHEN GROWING CROPS UNDER CONDITIONS OF HUMID CLIMATE ON FIELDS

Предложенный способ относится к области сельского хозяйства и ландшафтного дизайна, в частности к агрохимии и агрофизике почв.
Из предшествующего уровня техники не выявлено прототипа заявленного способа.
Техническим результатом изобретения является улучшение физических свойств почвы, теплового, водного и воздушного режимов при выращивании сельскохозяйственных культур в условиях гумидного климата.
Цель системы - оптимизация одновременно трех почвенных режимов: теплового, водного и воздушного. Проблема состоит в том, что все три фактора (тепло, вода и воздух) часто в почве являются антагонистами. С точки зрения повышения температуры почвы: чем большая поверхность почвы накрывается пленкой, тем лучше. Но при этом снижается обводненность и аэрация почвы. В состоянии физической спелости почвы содержание в ней воды и воздуха в первом приближении сопоставимо и близко к оптимуму для протекания биологических процессов. После накрытия пленкой, со временем содержание, как воды, так и кислорода в почве под пленкой будет снижаться. Поэтому, для поддержания оптимума, необходимо обеспечить дополнительный приток воды и кислорода из сопредельной, не накрытой пленкой почвы.
Рассмотрим самый простой случай, когда протяженность поля по склону не превышает 20 м и оно примыкает в верхней и нижней части к участкам почвы с естественной растительностью, обеспечивающей хороший внутрипочвенный дренаж. Ширина поля при этом не имеет принципиального значения. В этом случае почву можно накрыть пленкой полностью, перпендикулярно склону. Дополнительный приток воды и кислорода будет поступать из сопредельных участков с природной растительностью. Но при этом, почва должна быть достаточно окультуренной, чтобы обеспечить свободное, но относительно медленное прохождение в ней воды и кислорода путем диффузии. Участки природного ландшафта в таком случае можно рассматривать как эквивалент межполосного пространства почвы. Если протяженность поля по склону более 20 м или ее агрофизические свойства неблагоприятны для диффузии воды и кислорода, необходимо формировать открытые участки поверхности почвы слева и справа от пленочной полосы или межполосное пространство.
Размер межполосного пространства почвы (МПП) должен обеспечивать достаточное проникновение воды, чтобы обеспечить ею почву под пленкой. С другой стороны, чрезмерное его увеличение и соответственно увеличение поступления воды снижает аэрацию почвы и ее обогрев. Необходимую аэрацию почвы обеспечивают не только размеры МПП, но и частота их расположения, т.к. воздух обычно быстрее воды проникает в почву. Но избыточная частота МПП также приводит к ухудшению прогрева почвы.
Необходимо иметь также в виду такой важный климатический фактор, как чередование циклонов и антициклонов. Искусственно формируемая с помощью пленки, пространственная гетерогенность оказывается удобной для использования природного чередования погодных условий. Агротехнология позволяет сглаживать природные колебания, приводящие к избытку или недостатку воды или кислорода в почве, формируя в среднем более устойчивый водно-воздушный режим почвы. В период дождей происходит наполнение МПП водой, а пространство под пленкой служит емкостью для воздуха, поддерживая необходимую аэрацию почвы. В период антициклона вода постепенно движется под пленку, освобождая пространство для встречного движения теплого воздуха из под пленки в МПП. Постепенно, воздух, обедняясь кислородом и отдавая почве тепло, достигает поверхности МПП и поступает в атмосферу, а холодный воздух, обогащенный кислородом, поступает из атмосферы в почву. Происходит насыщение МПП кислородом, который постепенно будет диффундировать в почву под пленкой, а теплая влага с течением времени, наоборот, начнет встречное движение. При дальнейшей перемене погоды цикл повторится. Таким образом, обеспечивается одновременно газовый, водный и тепловой обмен в почве между ее накрытыми и открытыми участками и атмосферой. Подстраивая ширину пленочной полосы и МПП под соответствующие агроэкологические условия, можно сбалансировать все три режима.
Агроэкологические факторы, определяющие параметры системы пленочных полос предложенного способа.
1. Климатические условия. Географическая часть Нечерноземной зоны России.
Эта зона является достаточно протяженной, с контрастными условиями. На западе и северо-западе зоны помимо низких температур, наибольшую проблему составляет избыток осадков. Для ее решения необходимо создать условия для хорошей аэрации при высокой степени накрытия поверхности поля. Этого можно добиться с помощью увеличения частоты МПП за счет снижения ширины, как пленочных полос, так и МПП. При степени накрытия 70-95% и ширине полос 4-10 м, ширина МПП должна составлять от 1 до 2 м.
На востоке и северо-востоке зоны температура еще ниже, но нет такого избытка осадков и лучше аэрация. Поэтому для лучшего нагрева можно увеличить ширину полос до 10-20 м, несколько увеличив также и МПП до 2-4 м.
На юге и юго-востоке зоны необходимо снизить степень накрытия поля до 30-50%, чтобы не сформировать дефицит влаги в почве. Ширину пленочных полос лучше оставить при этом максимально возможную (20 м и более), т.к. это удешевляет процесс укладки, снижая количество проходов техники. В других географических частях зоны параметры системы полос должны приобретать промежуточные значения в соответствие с рассмотренными климатическими факторами.
2. Местоположение поля в ландшафте.
Размеры и конфигурация поля. Экспозиция и крутизна склона. Положение относительно общего рельефа. Степень удаления от природного ландшафта или лесополосы, его масштабы и особенности.
Размеры поля определяют водосборную площадь, также как и степень его накрытия пленкой. Увеличение крутизны склона выше 3-5 градусов формирует интенсивный сток воды, особенно в условиях южной экспозиции в период таяния снега.
Природный ландшафт выступает как накопитель и источник влаги, если располагается выше поля и как поглотитель влаги, если располагается ниже. Степень его влияния определяется масштабами природного ландшафта и развитостью естественной растительности, особенно многолетней. Важной особенностью является наличие водоема - реки или пруда и его масштабы, которые обычно располагаются ниже поля. Это определяет естественный дренаж территории и возможности сброса в эти водоемы и в сам природный ландшафт дополнительного количества воды с мелиорируемого поля.
При максимальной степени накрытия пленкой - 90-95%, площади поля 1-3 га и его протяженности по склону около 3-5 градусов более 100 м необходимо обязательное наличие водоема в природном ландшафте, способного накопить или сбросить искусственно сформированный сток воды. При размере поля около 1 га достаточно развитого природного ландшафта или лесополосы. Если уклон поля не более 3 градусов и степень его накрытия около 50%, то размер поля для экологически безопасного применения агротехнологии можно повысить до 5 га.
Указанные размеры поля и условия его расположения в ландшафте, формируют ограничения для применения агротехнологии в представленном виде. Дальнейшее развитие агротехнологии для полей размером более 5-10 га возможно только при дополнительном строительстве объектов осушительной мелиорации, способных поглотить интенсивный сток воды. Необходимо отметить, что указанные ограничения более актуальны для условий близких к благоприятным, т.е. для более южных районов Нечерноземной зоны. В районах неустойчивого земледелия средний размер поля обычно не превышает 5-10 га и, в целом, распаханность территории в настоящее время низкая. Поэтому больших проблем со сбросом излишков воды в природный ландшафт не возникнет.
3. Свойства почвы.
Гранулометрический состав почвы. Степень окультуренности пахотного слоя почвы.
Лекгосуглинистые почвы, по сравнению с тяжелосуглинистыми являются более теплыми, лучше аэрируемыми, но меньше удерживают и сохраняют влагу. Хорошо окультуренный пахотный слой с высоким содержанием гумуса (4-5% и более) обладает благоприятными агрофизическими свойствами: большей влагоемкостью и хорошей аэрацией. Поэтому степень накрытия пленкой легких и хорошо окультуренных почв должна быть на 10-20% ниже, а ширина пленочных полос может быть максимальной, при соответствующем увеличении МПП.
4. Особенности с/х использования.
Засоренность посевов. Внесение органических удобрений и припахивание подпахотных слоев почвы. Предшествующая культура, ее урожай и растительные остатки. Предшествующее использование агротехнологии.
Пленка может одновременно использоваться для борьбы с сорняками, особенно многолетними. В случае высокой засоренности можно увеличить степень покрытия, даже ухудшив водно-воздушный режим. Это создаст неблагоприятные условия в весенний период при прорастании сорняков. В этом случае весной после снятия пленки почву необходимо обработать, чтобы закопать проросшие, но ослабленные сорняки, которые также являются растительными остатками.
Если предшествующая культура дала большой урожай и оставила много растительных остатков или производится применение других органических удобрений, например, навоза или сидератов, то можно провести окультуривание подпахотных слоев почвы с помощью более глубокой на 5-10 см вспашки. Увеличение мощности пахотного слоя почвы одновременно с увеличением в ней органического вещества предполагает увеличение ширины МПП на 20-50% для лучшего обводнения почвы и большего накопления в ней гумуса.
Погодные условия текущего года в течение вегетационного периода (перед накрытием пленкой), особенно отличающиеся от среднестатистических, могут оказывать существенное влияние, прежде всего, на водный режим почвы. Гибкость агротехнологии позволяет сглаживать резкие колебания погодных условий, в отличие от традиционных гидромелиоративных сооружений, ориентированных на среднестатистические показатели. Засушливые погодные условия текущего года или высокая степень использования воды из почвы высоким урожаем пересушивают не только пахотный слой почвы, но и подпахотные слои, а также сопредельное с полем почвенное пространство. Следовательно, это указывает на необходимость увеличения МПП для компенсации потерь воды. Если, наоборот, в текущий год было много осадков или уменьшилась их испаряемость при низкой температуре, необходимо уменьшить МПП и увеличить степень накрытия пленкой.
Как уже указывалось выше, степень предшествующего использования агротехнологии также является важным фактором ее текущего применения. В зависимости от результатов предшествующего применения агротехнологии можно смещать и корректировать параметры системы полос пленки, зная принципы их формирования.
Пример осуществления способа.
Осенью после окончания сельскохозяйственных работ вносят органические удобрения: растительные остатки выращиваемых культур в виде соломы, или полуперепревший навоз крупного рогатого скота, или сидератов. Затем осуществляют механическую обработку почвы для достижении ею физической спелости. Проводят планировку поверхности почвы для создания равномерного уклона. Поверхность обработанной почвы накрывают БКЧ пленкой, которую размещают полосой шириной 4-20 м вдоль склона поля сверху вниз для «консервации» почвы до весны, при этом послойную укладку осуществляют с помощью сельскохозяйственного агрегата с одновременным прикатыванием середины пленочной полосы, формируя понижение 2-5 см глубиной и 1-3 м шириной. Через 1-30 м параллельно укладывают следующую полосу пленки внахлест, постепенно формируя систему полос пленки. Весной пленку с почвы убирают и сразу проводят ранний посев выращиваемой сельскохозяйственной культуры.
Поверхность почвы на склоне накрывается пленкой осенью (октябрь-ноябрь), после уборки урожая сельскохозяйственных культур, при достижении оптимальных физических (определяющих водно-воздушный и тепловой режим) параметров почвы (прежде всего, оптимальной влажности) для их консервации до весны. Механическая обработка почвы (вспашка) осуществляется осенью (а не весной) при ее физической спелости после внесения органических удобрений. Пленка размещается полосой (шириной 4-20 м) вдоль всего склона поля сверху вниз. Укладка осуществляется механическим разворачиванием рулона с пленкой. Перед первой укладкой должна проводиться планировка общей поверхности почвы для создания равномерного уклона поверхности. Непосредственно в процессе укладки при разворачивании пленки транспортным средством (трактором) необходимо под машиной с помощью прикатывания рыхлой почвы сформировать понижение желобообразной формы на 2-10 см глубиной и 1-10 м шириной, которое будет находиться под серединой пленочной полосы. Это понижение выступает дреной, на которой будет накапливаться избыток воды. В дальнейшем эта вода будет или испарятся с поверхности пленки, если ее немного, или стекать по пленке и поступать в естественный ландшафт (или лесополосу), примыкающий к нижней части поля. Через определенное расстояние (1-30 м) параллельно укладывается следующая полоса пленки. Таким образом, на всей территории поля формируется определенная система полос пленки. Параметры этой системы (степень покрытия пленкой поверхности почвы, ширина полосы пленки и межполосное расстояние) определяются основными агроэкологическими условиями: климатом, положением в ландшафте, свойствами почвы и особенностями с/х использования (см. ниже). В конечном счете, эти параметры нацелены на создание оптимальных водно-воздушного и теплового режимов почвы в осенний и весенний периоды. При этих параметрах осуществляется активная жизнедеятельность червей и полезных микроорганизмов, осуществляющих переработку органического вещества почвы, во многом формирующего ее плодородие. В весенний период по пленке будет осуществляться сброс избыточной влаги и нагрев всей почвы на поле. Оптимальные агрофизические параметры под пленкой сохраняются до весны, что позволяет после достижения определенной температуры почвы убирать пленку и сразу проводить более ранний посев выращиваемой культуры.
Агротехнология рассчитана на систематическое, т.е. ежегодное применение и постепенное окультуривание почвы за счет оптимизации в ней биологической активности. Эффективность агротехнологии существенно возрастает при комплексном окультуривании почвы. Она предполагает концентрирование ресурсов первоначально на одном поле, размер которого зависит от возможностей конкретного хозяйства. Помимо пленочной мелиорации необходимо обязательное проведение известкования, если почва кислая, и внесение органических удобрений: навоза или сидератов. Также постепенно, по мере возможностей увеличивается глубина пахотного слоя до 30-40 см за счет припахивания и окультуривания подпахотных горизонтов почвы.
Агротехнология является гибкой и динамичной, т.к. каждый год можно легко корректировать параметры системы. На следующий год поверхность почвы, которая не была под пленкой, может быть ей накрыта, т.е. можно поменять местами пленочные полосы и межполосные пространства. Это важно для равномерности окультуривания. Параметры системы можно также корректировать в зависимости от особенности условий предшествующего года и длительности использования агротехнологии. После нескольких лет окультуривания влагоемкость, влагопроницаемость и теплоемкость почвы будут увеличиваться, что потребует коррекции параметров. В первый год использования желательно начать с минимальной рекомендуемой степени накрытия пленкой, проанализировать результат и в дальнейшем при необходимости постепенно увеличивать степень накрытия.
Технологические параметры пленки, геомембраны.
Применяется бутил каучуковая пленка Firestone из синтетического каучука (Этилен-Пропилен-Диен-Терполимера) (EPDM мембрана), плотн. 1,17 кг/м2, толщ 1,02 мм, которая пластична, равномерно и хорошо растягивается во все стороны (по сути, это та же резина, которая может растягиваться в три раза), выдерживает температуры от минус 50 до плюс 130, подходит для каменистых участков. Данные физические свойства позволяют пленке удерживаться на поверхности почвы.
Бутилкаучуковая пленка широко используется для создания резервуаров с питьевой водой и плавательных бассейнов, т.к. является инертным нетоксичным материалом. Важным экологическим преимуществом является отсутствие выделения летучих веществ из ЭПДМ мембран в атмосферу. Бутилкаучуковая мембрана соответствует стандарту безопасного контактирования с питьевой водой ANSI/NSF-61. По озоноустойчивости и устойчивости к воздействию ультрафиолетовых лучей она полностью соответствует общепринятым стандартам DIN 7864 и ASTM G 53-84. Водонепроницаемость и экологичность подтвержденна российскими и международными сертификатами (http://pondliner.ru/tech/certificates/).