Дослідженнями Л.Н. Барсукова, К.М. Забавської, Ф.А. Попова, І.Б. Ревута, М.Ф. Галюка, доведено, що з часом після проведення обробітку спостерігається диференціація грунту за родючістю: верхня частина більш, нижня - менш родюча [15, 17, 18, 19, 20, 21]. Вчені пояснюють це більшою масою кореневих систем у верхній частині, вищими амплітудами коливань зволоження, температури, сонячної радіації тощо. Відбувається цей процес із різною швидкістю: на перезволожених важких грунтах - швидше, на недостатньо зволожених легких - повільніше.
Диференціація чітко простежується уже через 2-3 місяці навіть у добре перемішаному орному шарі. Верхня частина його характерезується більш високою біологічною активністю й ефективною родючістю, ніж нижня [19].
За безполицевого обробітку диференціація грунту за родючістю посилюється, а в гетерогенному оброблюваному шарі поживні речовини, локалізовані у верхній частині, за посушливих умов можуть виявитися не доступними для культур.
Слід зазначити, що екологічна катастрофа, як наслідок експансії з освоєння цілиних і перелогових земель у 50-60 рр., безумовно, була передбачувана. За сто років до цієї події в Росії сталася подібна, хоча і менш значна за своїми розмірами землеробська експансія на півдні країни. Наслідки такого масового розорювання земель після реформи 1861 р. були вдало і доступно висвітлені та проаналізовані В.В. Докучаєвим у книзі «Наши степи прежде и теперь», виданій у 1892 р. Наслідки ці добре відомі: посилення поверхневого стоку, ерозія, дефляція, посухи, дегуміфікація й агрофізична деградація ґрунтів тощо. Чи можна було б це передбачити? Звичайно, так, тим більше, що в 30-х рр. 20 ст. усьому світу був піднесений ще більш наочний урок у вигляді антропогенно-стихійного лиха на Великих Рівнинах США і Канади, сприйнятого тоді як кінець цивілізації. Масове розорювання багатьох мільйонів гектарів цілини в преріях призвело до широкого розвитку дефляції. У книзі «До того как умрет природа», виданій у 1968 р., Ж. Дорст описує один із найстрашніших, як він зазначає, «траурних» днів в історії США 12 травня 1934 р., коли «обширные равнины стали ареной беспрецедентного в истории Америки стихийного бедствия.... ветер нес смерчи через континент на восток... они затемнили небо над Вашингтоном и Нью-Йорком, неслись в Атлантику. Оголенные районы, получившие с тех пор название «пыльная чаша», стали средоточением ветровой эрозии.». Офіційно визнавши ерозію національним лихом, уряд створив Службу по боротьбі з ерозією ґрунтів, яка через 2 роки була реорганізована в Службу охорони ґрунтів. Було докладено багато зусиль щодо розробки протиерозійної системи землеробства, в якій плуг поступився місцем плоскорізу, а всі інші заходи набули ґрунтозахисного змісту (звичайні сівалки були замінені стерньовими, зубові борони - ротаційними тощо). Разом з адміністративними органами науковці впродовж тривалого часу переборювали консерватизм в освоєнні нової системи.
Коли на освоєних цілинних і перелогових землях колишнього Радянського Союзу вибухнули пилові бурі, особливої тривоги у верхніх ешелонах влади не проявлялося. Спокійно обговорювалися проблеми ерозії і в наукових колах держави. Мова йшла про необхідність удосконалення землеробства за допомогою впровадження протиерозійних заходів, особлива роль відводилася полезахисним лісовим смугам. Це могло б продовжуватися досить тривалий період часу аж до повної катастрофи, аби не створення в 1957 р. Казахського (згодом Всесоюзного) НДІ зернового господарства на чолі з О.І. Бараєвим.
О.І. Бараєв розумів, що мальцевська система обробітку ґрунту не забезпечує захисту його від дефляції. Безполицевий плуг Т.С. Мальцева не відповідає вимогам вітростійкості поверхні ґрунту. Навіть якщо його удосконалити , що згодом було зроблено (стояки СиБІМЕ), то так чи інакше необхідно створення машини для передпосівних обробітків ґрунту і сівби по стерньовим фонам, які вже використовувалися в Канаді.
Природно, північноамериканський досвід, осмислений О.І. Бараєвим під час відрядження в Канаду в 1957-1958 рр., був покладений ним в основу розробки ґрунтозахисної системи землеробства в Казахстані, саме розробки, а не механічного перенесення, враховуючи відмінності грунтово-кліматичних умов. Історія свідчить, що пряме запозичення технологій у землеробстві, як правило, закінчується погано.
Першою турботою директора інституту було створення великого дослідного господарства, він не заспокоївся, поки не довів площу ріллі до 35 тис. га, що згодом відіграло вирішальне значення в освоєнні ґрунтозахисної системи землеробства.
Гігантські зусилля були спрямовані на створення вітчизняної протиерозійної техніки. У неймовірно короткий термін в Одесі на заводі «Октябрьская революция» були виготовлені перші плоско- різи, а в Новосибірську на заводі «Сибсельмаш» були зібрані перші стерньові сівалки. Особливий інтерес представляє науково-організаційна і власне наукова сторона цієї діяльності. О.І. Бараєв припинив порочну традицію в розробці сільськогосподарської техніки, коли самі інженери- конструктори задавали агротехнічної вимоги до ґрунтообробних знарядь і машин. їх стали розробляти агрономи-технологи, відстоюючи ці вимоги в дискусіях з вченими-інженерами.
За ініціативою директора в інституті була закладена дослідна сівозміна, в якій полицева і безполицева системи обробітку грунту вивчалися на площі 2 тис. га, оскільки традиційні дріб- ноділяночні досліди були непридатні для вивчення різних способів обробітку у зв'язку з взаємним впливом полицевих і безполицевих фонів на перенос снігу, просторове поширення шкідників і бур'янів, неприпустимістю сівби впоперек цих фонів тощо.
Коли в дослідному господарстві на всій площі ріллі була освоєна безполицева система обробітку, почалася напружена робота щодо її пропаганди і навчання спеціалістів. Консерватизм агрономів, вихованих на непохитних канонах оранки, перевищив усі очікування. Важко сприймалися плоскорізи, висловлювалося дуже багато сумнівів, особливо науковцями, серед яких була велика кількість противників і скептиків.
У 1966 р. Виїздна сесія колишньої Всесоюзної академії сільськогосподарських наук у Цілинограді схвалила ґрунтозахисну систему землеробства, основу якої складали короткоротаційні зернопарові сівозміни, різноглибинний безполицевий обробіток грунту, снігозатримання, оптимально пізні строки сівби зернових. Останні дві позиції, на відміну від канадської системи, були обумовлені специфічним розподілом опадів: значною часткою їх у зимовий період і чітко вираженою червневою посухою. Крім того, для обробітку важких за гранулометричним складом грунтів, на відміну від більш легких канадських, були сконструйовані плоскорізи- глибокорозпушувачі КПГ поряд із КИП, а для обробітку пару - штангові культиватори. Були впроваджені кулісні пари. На легких грунтах, а згодом і на важких було організовано смугове розміщення культур (буферні посіви).
Слід зазначити, що консерватизм агрономів, у більшій мірі науковців, виявився сильнішим пилових бур. Необхідні були наукові докази, поглиблені і всебічні дослідження, і О.І. Бараєв усіляко форсував їх розвиток, перш за все у своєму інституті. Із 1970 до 1980 рр. на високому теоретичному рівні були вивчені механізми дефляції і пилопереносу, розроблені критерії вітро- стійкості поверхні грунту для різних умов, водний баланс агроценозів і заходи його регулювання, питання диференціації родючості в різних частинах орного шару за плоскорізного обробітку, всебічно обґрунтовані сівозміни, роль чистих парів, система догляду за ними тощо [22, 23].
У 80-90-х роках минулого століття за цілковиту відмову від полицевого обробітку на користь безполицевого виступила в Україні ціла низка науковців, зокрема І.Є. Щербак, Ф.Т. Моргун, М.К. Шикула, С.С. Антонець, О.Ф. Гнатенко, Г.В. Назаренко та інші [24, 25, 26], на думку яких, обробіток плоскорізом за поєднання з удобренням забезпечує зростання вмісту і бездефіцитний баланс грунтового гумусу за менших доз органічних добрив.
Під адміністративним тиском упровадження «безплужного» обробітку стало масовим явищем упродовж 1975-1985 рр. на Полтавщині. Проте досліди вітчизняних учених переконливо вказують на неоднозначний вплив такого обробітку на родючість грунту: поряд із високою ґрунтозахисною ефективністю, деяким поліпшенням водного режиму грунту і зменшенням енергетичних витрат, він погіршує фітосанітарний стан агрофітоценозів і грунту та створює несприятливу для рослин диференціацію оброблюваного шару. У 40 польових дослідах (проведених упродовж 1975-1985 рр.) із 50-ти актуальна забур'яненість за плоскорізного обробітку, порівняно з оранкою, виявилася значно вищою, нерідко в 2-3 рази [27]. Тому у передових країнах його застосування поєднується з хімічним прополюванням полів.
На сьогодні більшість вітчизняних дослідників вважає найбільш доцільним у сівозмінах диференційований основний обробіток грунту, що передбачає чергування полицевих і безполицевих способів обробітку на різну глибину залежно від екологічних умов, біологічних особливостей рослин, систем удобрення, меліоративних заходів тощо. На об'єктивність такого висновку вказує і те, що немає такої країни в світі, де безполицевий обробіток застосовувався б на всіх орних землях. Найбільше поширення він отримав у зернових провінціях США, Канади, Австралії, посушливих районах України. У Західній Європі домінує диференційований обробіток грунту з перевагою оранки, а безполицевий, переважно чизельний, знаходить широке застосування після просапних культур під озимі і ярі зернові суцільного способу сівби.
Дослідження вказують на майже однаковий вплив (різниця в межах 2 %) систем основного обробітку на врожайність сільськогосподарських рослин. На сьогодні, коли поживний режим оптимі- зується добривами і регуляторами росту, а фітосанітарний стан - пестицидами, обробіток має забезпечувати зростання продуктивності праці, екологобезпечне землекористування, захист земель від дефляційних і ерозійних процесів, ефективне використання водних ресурсів, запобігання деградації агроландшафтів, поліпшення рекреаційних властивостей ландшафтів [28].
За сприятливих умов грунтового середовища обробіток його можна звести до мінімуму або й навіть повністю відмовитися від нього. З другої половини 20 ст. найбільшого поширення пряма сівба в необроблений грунт набула на американському й австралійському континентах. Кожна держава, де такий обробіток проводився на великих площах, переслідувала певну мету: США - захист грунтів від деградаційних процесів і зростання продуктивності праці; Канада і західні провінції Австралії - раціональне використання вологи; Англія - підвищення продуктивності праці за вирощування озимих та ярих зернових колосових культур; Бразилія - збереження грунтового покриву, оскільки лісова підстилка тропічних лісів за освоєння їх під орні землі дуже інтенсивно мінералізується («згорає»).
Частка прямих експлуатаційних витрат на обробіток сьогодні не перевищує 10-12 %, а за включення енергетичних еквівалентів використаних добрив (до 60 %) і пестицидів (6-8 %) цей показник не перевищує 5-8 %. Тому пряма сівба не передбачає тільки зменшення енергоємності агротехнологій .
У країнах, де порівняно широко застосовують no-till системи, головним завданням обробітку є зростання продуктивності праці за незначних трудових ресурсів. Виключно сама мінімізація обробітку, навіть шляхом прямої сівби, підвищити продуктивність рільництва не в змозі, на що вказують, зокрема, розрахунки коефіцієнтів енергетичної ефективності вирощування озимої пшениці і ярого ячменю, які в Україні вищі, ніж у США [28].
За розрахунками вчених no-till системи можуть запроваджуватися в Україні на площі 600700 тис. га, а в перспективі до 1 млн. га, оскільки рівноважна щільність будови орних грунтів у шарі 0-50 см на значних масивах земель північного Степу й Лісостепу перед проведенням основного обробітку не перевищує 1,25 г/см3. Ці грунти науковці вважають сприятливими в технологічному розумінні [16]. Проте, у зв'язку з ерозією темно - і ясно-сірих змитих грунтів, оглеєнням об'ємна маса підвищується, а грунтово-технологічні властивості погіршуються. У Сухому Степу це погіршення зумовлене осолонцюванням грунтів. Тому на таких грунтових відмінах відсутня можливість проведення no-till технологій та обмежені можливості мінімізації обробітку.
Найгіршими грунтово-технологічними умовами характеризуються грунти легкого гранулометричного складу, частка яких становить 25 % орних земель Полісся. Маючи мінімальне значення питомого опору, за обробітку їм властиві: максимальні показники рівноважної щільності будови (внаслідок майже повної відсутності процесів агрегації) і абразивної здатності (спрацьовування робочих органів знарядь обробітку), дуже вузькі межі пластичності, майже відсутня липкість, низькі показники деформації (внаслідок високої рівноважної щільності будови), схильність до кіркоутво- рення, поверхневе оглеєння, дуже короткий період їх релаксації після розпушування знаряддями.
За показником кришення під час обробітку чорноземи типові південного Лісостепу і звичайні північного Степу важкосуглинкові за гранулометричним складом науковці вважають найбільш придатними до мінімізації обробітку. Вміст агрономічно цінних агрегатів (0,2510 мм) у цих грунтах після проведення обробітку становить не менше 70 % і досягається обробітком пасивними робочими органами за досить широкого діапазону зволоження (за вологості фізичної спілості і навіть дещо нижчої). Ці грунти навіть мають невеликий резерв подальшого підвищення оструктуреності оброблюваного шару за умови виконання обробітку за вологості оптимального структуроутворення (більш вузького діапазону зволоження), за обробітку на підвищених швидкостях або знаряддями з активними робочими органами [16].
Легкосуглинкові за гранулометричним складом чорноземи типові й опідзолені й темно-сірі грунти північного і північно-західного Лісостепу після проведення обробітку містять в оброблюваному шарі набагато менше агрономічно цінних макроагрегатів - 40-50 %, а тому і менш сприятливі до мінімізації обробітку.