Изначально в условиях ресурсосбережения не удавалось успешно противостоять сорнякам. Однако экологический подход к борьбе с ними, который сочетает в себе знания о динамике популяции сорняков с принципами выращивания культур и долгосрочным планированием, позволил производителям сельскохозяйственных культур наполовину уменьшить использование гербицидов.
В статье объясняются агротехнические приёмы и экологическое обоснование, которые привели к успеху этого подхода. Наша цель - поделиться с фермерами и другими учёными пониманием того, как осуществлять системное управление сорняками. При экологическом подходе акцент делается на три цели, связанные с динамикой популяции сорняков: увеличение естественной потери семян сорняков в почве, сокращение формирования сеянцев сорняков и сведение к минимуму производства семян сформировавшимися растениями.
Производители сельскохозяйственных культур в полузасушливых Великих равнинах ищут способы управления сорняками, которые бы позволили избежать полной зависимости от гербицидов. Этому способствуют различные факторы. Сейчас распространены сорняки, устойчивые к гербицидам, что заставляет производителей прибегать к более дорогим методам управления.
Ещё одна причина заключается в том, что для борьбы с сорняками в некоторых культурах, выращиваемых на Великих равнинах, таких как просо обыкновенное или фуражные культуры, применяется небольшое количество гербицидов. Таким образом, производители ищут альтернативные методы, которые помогут гербицидам в победе над сорняками.
В центральной части Великих равнин преобладают однолетние сорняки, засоряющие зерновые культуры. Самые распространённые из них - это костёр кровельный (Bromus tectorum L.), эгилопс цилиндрический (Aegilops cylindrical Host), кохия веничная (Kochia scoparia), солянка иберийская (Salsola iberica Sennen & Pau), щетинник зелёный (Setaria viridis (L) Beauv.), ценхрус колючий (Cenchrus longispinus (Hack.) Fern.) и щирица запрокинутая (Amaranthus retroflexus L.). У однолетних сорняков семена являются ключевым компонентом динамики популяции.
При экологическом подходе акцент делается на методы, которые усиливают естественные потери семян сорняков в почве, сокращают формирование всходов сорняков и сводят к минимуму производство семян сформировавшимися растениями. Экологические методы, используемые в этом подходе, могут быть разделены на пять категорий: схема севооборота, чередование культур, механическая обработка, управление растительными остатками и конкурентные растительные покровы культур. Теперь попробуем объяснить для каждой категории, экологическую основу воздействия на динамику сорняков.
Схема севооборота: чередование культур холодного и теплого периодов
Такое чередование культур может уменьшить плотность травостоя сообщества сорняков. Разные даты посева и уборки урожая этих культур предоставляют производителям возможности для предотвращения формирования растений или производства семян сорняками.
Например, щетинник зелёный всходит в период с середины мая до начала июля, затем в первых числах августа начинается цветение. Озимая пшеница убирается в начале июня. Таким образом, производители могут легко контролировать щетинник до того, как он начинает цвести и производить семена.
Похожая ситуация и с сорняками холодного периода: их можно легко контролировать до посева культур тёплого периода, таких как кукуруза или подсолнечник. Преимущество этой стратегии связано с выживаемостью семян сорняков в почве, поскольку они являются основным источником засорённости будущих культур. Семена в почве могут прорастать, погибать в результате естественных причин или потребляться представителями фауны и микроорганизмами. Соответственно, количество живых семян в почве со временем уменьшается.
У костра кровельного и щетинника зелёного приблизительно 20% семян остаются живыми в первый год после осыпания, в то время как менее 5% их семян остаются живыми через два года. Это быстрое уменьшение количества живых семян в почве типично для большинства однолетних сорняков.
Чередование культур с разными жизненными циклами позволяет производителям добиваться естественной потери семян сорняков с течением времени за счёт предотвращения попадания новых семян в почву. Но длительные исследования севооборотов, проведённые в центральной части Великих равнин, обнаруживают удивительную тенденцию: плотность травостоя сорняков увеличивается, если севообороты состоят из одной культуры холодного периода, после которой следует одна культура тёплого периода, например, озимая пшеница - просо обыкновенное. И наоборот, если севообороты представляют собой цикл из двух культур холодного периода, после которых следуют две культуры тёплого периода, то плотность травостоя сорняков со временем уменьшается.
Эти тенденции сравнили в трёх исследованиях: всхожесть семян сорняков была в восемь раз больше в севообороте из двух культур, чем в севооборотах, состоящих из двух культур холодного периода, после которых следуют две культуры тёплого периода. Пар, если он используется, даст результат в любой категории жизненного цикла.
Влияние разнообразия культур в пределах жизненного цикла
Длительные исследования севооборотов в центральной части Великих равнин показали, что плотность травостоя сорняков увеличивается, если культура выращивается два года подряд. Например, кукуруза, после которой следует кукуруза, больше способствует увеличению количества сорняков по сравнению с кукурузой, после которой следует подсолнечник. Эта тенденция объясняется характером всхожести семян сообщества сорняков, свойственного региону.
Кукурузу обычно сеют в начале мая, а подсолнечник - на 3-4 недели позже. Этот временной промежуток между посевами предоставляет дополнительную возможность контролировать 35-50% потенциальных всходов сорняка перед посевом подсолнечника. Когда эти же сорняки всходят в кукурузе, требуется осуществление контроля в посеве.
Подобная тенденция наблюдается и в случае с озимой пшеницей. Густота травостоя сорняков холодного периода быстро увеличивается, когда озимая пшеница выращивается два года подряд в четырехлетнем севообороте.
Таким образом, использование разнообразных культур с разными сроками посева в категории определённого жизненного цикла (культуры тёплого периода) усиливает преимущество, полученное при двухлетних севооборотах, состоящих из культур холодного и теплого периодов. Сейчас в регионе широко распространены севообороты озимая пшеница - кукуруза - просо обыкновенное - пар и озимая пшеница - кукуруза - подсолнечник - пар. Как и подсолнечник, просо обыкновенное сеют на 3-4 недели позже кукурузы.
Уменьшение влияния схемы севооборота на динамику популяции сорняков при механической обработке
Производители сельскохозяйственных культур иногда применяют механическую обработку для внесения безводного аммиака, однако густота сорняков зачастую больше в последующих культурах. Данная тенденция объясняется тем, что при механической обработке семена сорняков попадают в почву и при этом увеличивается их жизнеспособность. Семена быстро погибают, если остаются на поверхности почвы, подвергаясь неблагоприятным воздействиям условий окружающей среды. Системы беспахотной обработки земли способствуют этой естественной гибели семян сорняков, оставляя их на поверхности почвы.
Более длительная выживаемость семян в почве приводит к большему количеству всходов сорняков в посеве будущих культур. Однако исследование выявило противоречивые тенденции относительно механической обработки и плотности травостоя сорняков.
Ряд исследователей привели многочисленные примеры видов сорняков, росту которых благоприятствовало применение механической обработки. В поиске понимания взаимосвязи между механической обработкой почвы и всхожестью семян сорняков была разработана математическая модель для всхожести семян, основанная на сведениях из опубликованной литературы.
Данная модель прогнозирует, что всхожесть семян сорняков будет больше при обработке земли без пахоты, чем при использовании систем механической обработки почвы в первый год после осыпания семян. Однако если семена не попадают в почву, всхожесть сорняков при беспахотной обработке будет со временем уменьшаться быстрее, чем при использовании механической обработки. Этот прогноз отображает быструю потерю жизнеспособности семян на поверхности по сравнению с семенами, зарытыми в почву.
Гипотеза подтверждается полевыми исследованиями, в которых проводилось сравнение всхожести сорняков при беспахотной обработке и при использовании систем механической обработки. В этих исследованиях всхожесть семян насчитывала три года после того, как семена попали в почву. Производство семян сорняков предотвращалось в ходе каждого исследования.
В первый год всхожесть семян при беспахотной и при механической обработке была похожей, однако на второй год разница между этими системами была двукратной. Для сравнения, всхожесть семян в третий год была в восемь раз больше при использовании механической обработки. Разница между системами обработки со временем увеличивалась.
Эта взаимосвязь всхожести семян, механической обработки и времени является тем фактором, который объясняет, почему беспахотная обработка и севообороты с двухлетними интервалами между культурами холодного и теплого периодов являются эффективными в уменьшении плотности сорняков. Если вы предотвращаете производство семян сорняков в течение двух лет, например, исключая его во время выращивания культуры тёплого периода, то плотность травостоя сорняка существенно снижается, когда культура холодного периода выращивается в третий год.
Взаимосвязь механической обработки, всхожести семян и схемы севооборота была также выявлена в двух исследованиях, проведенных на Великих равнинах. В одном из них использовалась беспахотная обработка земли, в другом каждый год применялась одна операция механической обработки с помощью культиватора-плоскореза (он состоит из V-образных ножей, которые отрезают корни растений на глубине обработки 5-8 см. Каждая операция заделывает только 10% растительных остатков культур на поверхности из-за малого нарушения почвы).
Управление сорняками в обоих исследованиях основывалось на общеизвестных методах. После двух полных циклов самого длинного севооборота, мы подсчитали всходы сорняков, появившиеся в период вегетации в тех квадратах, где не вносились гербициды. Сообщество сорняков было одинаковым на обоих участках, где всходы костра кровельного, кохии, щирицы, щетинника зелёного и полевички опушенной (Eragrotis cilianensis (All.) E.Mosher) превышали 85 %.
Проводилось сравнение двух схем севооборотов. В первом после одной культуры холодного периода следовала одна культура тёплого периода, в другом севообороте за двумя культурами холодного периода следовали две культуры тёплого.
Как упоминалось ранее, больше сорняков было обнаружено в двух севооборотах культур, чем в четырех на обоих участках. Однако на механически обрабатываемом участке было зафиксировано больше сорняков в обоих севооборотах, чем на участке без пахоты. Механическая обработка также повлияла на разницу в плотности всходов между севооборотами в каждом исследовании.
При использовании механической обработки в двухлетнем севообороте плотность травостоя сорняков была в пять раз больше, чем в четырехлетнем, в то время как при обработке земли без пахоты разница между схемами севооборотов была 13-кратная. Поскольку семена сорняков выживают дольше после попадания в почву, механическая обработка уменьшает влияние схемы севооборота на плотность травостоя сообщества сорняков.
Даже при использовании гербицидов больше сорняков присутствует в севооборотах с применением механической обработки. Поскольку такая обработка ослабляет управление сорняками, производители, использующие ресурсосберегающую технологию, применяют жидкие удобрения вместо безводного аммиака, чтобы исключить необходимость в механической обработке при управлении удобрениями.
Растительные остатки культур сокращают формирование всходов сорняков
Когда ресурсосберегающие системы обработки земли были впервые внедрены в центральной части Великих равнин, оказалось, что всходов сорняков было меньше на участках, где после уборки урожая оставалось большое количество растительных остатков озимой пшеницы. Это объясняется тем, что растительные остатки культур изменяют условия окружающей среды, связанные с прорастанием семян сорняков, физически препятствуют росту всходов или под воздействием аллелопатии нарушают прорастание и рост. Установлено, что каждые 1000 кг/га растительных остатков озимой пшеницы на поверхности почвы сокращали формирование всходов сорняков на 14 %.
Однако механическая обработка для контроля сорняков сводит к минимуму это преимущество наличия растительных остатков. В исследовании, направленном на усиление подавления сорняков с помощью растительных остатков, применение механической обработки (культиватор-плоскорез) привело к увеличению плотности травостоя сорняков на 35-50 % в следующей культуре по сравнению с системой бесплужного земледелия. И это несмотря на то, что на поверхности почвы оставалось большое количество растительных остатков, а поле не знало плуга в течение нескольких лет. Заделывание семян сорняков в почву с помощью культиватора-плоскореза очевидно изменяет взаимоотношения «семя-почва» таким образом, что всхожесть сорняков увеличивается, несмотря на количество растительных остатков на поверхности почвы.
Чтобы усилить подавление растительными остатками всхожести семян, производители могут сеять озимую пшеницу, используя повышенные нормы высева, вносить низкие нормы N и Р с семенами во время посева и выращивать более высокие культурные сорта. Эти методы увеличивают производство растительных остатков на 2000-2500 кг/га. Подобный эффект подавления всхожести сорняков оказывают растительные остатки проса обыкновенного.
Конкурентные растительные покровы культур уменьшают рост сорняков и производство семян
Даже при успешном проведении мероприятий против сорняков некоторые сорные растения выживают и даже образуют семена. В этом случае конкурентную позицию культурных растений можно укрепить с помощью агротехнических приёмов. Один из них - выращивание культур с меньшей шириной междурядья, что сводит к минимуму количество солнечной радиации, получаемой сорняками в растительном покрове культуры.
Залог успеха здесь, однако, в том, что разные методы должны быть объединены. При выращивании подсолнечника использование одного агротехнического приёма, например, уменьшенной ширины междурядья, более высокой плотности посева растения или отсроченного посева уменьшали биомассу сорняков на 5-10% по сравнению с традиционными методами. Когда объединили два метода, подавление биомассы достигло 20-25 %, а когда три – она была снижена почти на 90 %.
Сочетание методов синергично усилило подавление подсолнечником роста сорняка. Подобная закономерность наблюдалась и в случае с кукурузой при небольшой ширине междурядья, более высокой плотности посева и внесении удобрения. Следует запомнить: система из трёх агротехнических приёмов сильно сокращает рост сорняков.
Синергизм агротехнических приёмов в подавлении роста сорняков также наблюдается на примере проса обыкновенного и озимой пшеницы. В травостое проса система из трёх агротехнических приёмов: ленточного внесения N в сторону от семени, более высокой плотности посева культуры и отсроченного посева - уменьшила биомассу щирицы запрокинутой и производство её семян на 90%.
Производители наращивают преимущества, полученные в результате применения этих методов в других категориях данной системы управления за счёт минимизации продуктивности семян сорняков, избежавших контроля, чему способствует их конкуренция с растительным покровом. Как упоминалось ранее, некоторые производители начали использовать жидкие удобрения, чтобы исключить необходимость применения механической обработки. Эта формула также позволяет вносить удобрения возле посевного ряда.
Преимущества управления сорняками на экологической основе
Разнообразные севообороты при обработке земли без пахоты в центральной части Великих равнин привели к увеличению чистых доходов в четыре раза по сравнению с севооборотом озимая пшеница – пар. Улучшение экономических показателей за счёт разнообразных севооборотов отображает и более высокую продуктивность земли, и меньшую себестоимость производства.
Затраты на управление сорняками при использовании комплексного подхода снижены на 50%, поскольку меньшая плотность травостоя сообщества сорняков сокращает потребность в гербицидах. При использовании севооборота озимая пшеница - кукуруза - просо обыкновенное - пар, озимая пшеница и просо могут выращиваться без применения гербицидов, вносимых в культуру. В этом случае плотность травостоя сорняков настолько низкая, что они не влияют на урожайность культуры.
Более того, меньшая плотность травостоя сообщества сорняков повышает эффективность гербицидов. Гербициды, вносимые в почву и на листья, действуют более эффективно при низкой плотности травостоя сорняков.
Необходимость в применении методов контроля сорняков во время пара также уменьшается. Производители могут контролировать сорняки в паре при беспахотном земледелии с помощью всего лишь двух или трёх внесений гербицидов, по сравнению с производителями, которые пять-семь раз механически обрабатывают почву при традиционном севообороте озимая пшеница - пар.
Этот подход, однако, требует объединения методов. Например, сорняки теплого периода быстро разрастаются в севообороте озимая пшеница - кукуруза - просо обыкновенное, состоящем из двух культур теплого периода и одной культуры холодного, даже несмотря на то, что управление сорняками включает в себя разнообразие культур, сохранение пожнивных остатков и конкурентные растительные покровы.
Похожая тенденция наблюдается при использовании 5-летнего севооборота озимая пшеница - кукуруза - просо обыкновенное - кукуруза - пар: плотность травостоя сорняков теплого периода со временем повышается. Как упоминалось ранее, механическая обработка нивелирует преимущества этого экологического подхода, продлевая выживаемость семян в почве и увеличивая всхожесть их сеянцев.
Эта концептуальная схема помогает осуществлять планирование. Затраты на N удобрения, длительные периоды пара (12-14 месяцев), а также чрезмерное использование глифосата вызывают обеспокоенность у производителей. Чтобы решить эти задачи, они пробуют использовать бобовые культуры в качестве сидерального пара (выращивание культур в течение 6-8 недель до уничтожения) в севообороте озимая пшеница - кукуруза - просо обыкновенное - сидеральный пар. Их цель заключается в предоставлении биологического N, исключении одного внесения глифосата за счёт подавления сорняков и сокращении длительности периода без культур перед озимой пшеницей.
Рене ван Акер, профессор
Университет Гельфа, Канада
