Влияние растительных остатков вики мохнатой на концентрацию атразина и метолахлора в почвенном растворе и засоренность кукурузы

Авторы:
Джон Р. Тисдэйл, Лаборатория систем самовосстанавливающегося сельского хозяйства,
Министерство сельского хозяйства США, Белтсвиль, Мериленд Дениэл Р. Шелтон, Али М. Садегхи, Алан Р. Айсенси, Лаборатория по изучению патогенов в отходах животноводства, Министерство сельского хозяйства США, Белтсвиль, Мериленд

Остаточное влияние

Большое количество растительных остатков покровных культур может подавлять всхожесть семян и развитие проростков сорняков, однако одновременно растительные остатки могут прерывать или снижать эффективность работы гербицидов, которые вносятся до всходов культуры. Учеными были проведены различные исследования и получены определенные результаты.

Растительные остатки товарной и покровной культур на поверхности почвы при использовании технологий сокращенной обработки почвы могут в значительной степени влиять на активность гербицидов. Одним из важнейших эффектов растительных остатков, находящихся на поверхности почвы, являлось удержание гербицидов, поэтому меньшее количество гербицидов попадало в почву. На удержание гербицидов ацетамидной группы влияло количество растительных остатков пшеницы (Triticum aestivum L.): большое количество растительных остатков удерживало более 80% метолахлора и более 90% метолахлора, ацетохлора или алахлора.

Гербициды, соприкасающиеся с растительными остатками на поверхности почвы, могут быть утеряны по нескольким причинам – смыв дождями, биологическое разложение, улетучивание. Примерно 73-96% атразина, удержанного растительными остатками, было утеряно за 1-3 недели в зависимости от интенсивности дождей. Сток атразина с растительных остатков увеличивался с повышением интенсивности искусственного дождя, это свидетельствует о том, что осадки – важный фактор в данном вопросе. При повышении интенсивности искусственного дождя объем ацетохлора, алахлора и метолахлора, достигающих поверхности почвы, увеличивался приблизительно на 10-20%, что подтверждает мнение о важности дождевых осадков для удалении гербицида с растительных остатков.

Во многих исследованиях большое внимание уделяется общей концентрации гербицидов в почве, при этом сравнительно немного исследований проведено с целью измерения их реальной концентрации в почвенном растворе. Вероятнее всего, сорняки реагируют на концентрацию гербицидов в почвенном растворе, которая сильно зависит от таких факторов, как растительные остатки и органическое вещество.

Шелтон и его коллеги исследовали влияние добавленных стеблей кукурузы на значение Kd атразина и его концентрацию в почвенном растворе. Они обнаружили, что добавление 10% остатков стеблей кукурузы в почву, содержащую 7 мкг/г атразина, повышало значения Kd с 0,63 до 3,34, при этом концентрация почвенного раствора снижалась с 8,4 до 1,5 мкг/мл. Как вытекает из этих данных, большое количество растительных остатков и органического вещества снижают концентрацию гербицидов в почвенном растворе, что может привести к увеличению численности сорняков.

Вместе с тем растительные остатки предшествующей культуры могут напрямую влиять на количество всходов сорняков. Известно, что увеличение объемов растительных остатков приводит к снижению численности различных видов сорняков. При увеличении объемов растительных остатков за счет озимых однолетних покровных культур, таких как вика мохнатая и рожь, значительно сокращается количество сорняков.

Тисдэйл и Молер определили два важных физических свойства мульчи, которые тесно взаимосвязаны с подавлением всходов сорняков: индекс площади, покрытой мульчей, и объем твердых фракций. Тисдэйл, Нагабхушана и др. изучили множество факторов, влияющих на подавление сорняков при использовании покровных культур, а также роль покровных культур в системах самовосстанавливающегося сельского хозяйства.

Несмотря на важность применения гербицидов в системах, где за основу взяты покровные культуры, проводилось очень мало исследований влияния покровных культур на действие гербицидов и всхожесть сорняков. Большие объемы растительных остатков покровных культур можно использовать для прямого подавления всхожести сорняков, однако они могут улавливать гербициды и снижать их эффективность.

Крачфилд и его коллеги продемонстрировали, что увеличение биомассы растительных остатков пшеницы привело к повышению уровня подавления сорняков и снизило концентрации метолахлора в почве, однако сокращение концентрации гербицидов не снизило общего уровня контроля сорняков. Чтобы понять взаимодействие между растительными остатками покровных культур, гербицидами и всхожестью сорняков, необходимо провести дополнительное исследование.

Вика мохнатая как пример

Мы решили сфокусировать свое внимание на вике мохнатой, которая стала популярной покровной культурой при производстве кукурузы в США, а также на атразине и метолахлоре – гербицидах, широко используемых при выращивании кукурузы. Это исследование проведено для сравнения влияния растительных остатков покровной культуры вики мохнатой и растительных остатков культуры-предшественника при производстве кукурузы по технологии No-till на концентрацию атразина и метолахлора в почвенном растворе, а также на всхожесть сорняков при использовании гербицидов и без них.

Позитивы и негативы результатов

На протяжении всех трех лет исследования не менее 90% почвы в весенний период было покрыто растительными остатками (табл. 1). Поле не обрабатывалось с 1995 года, что привело к накоплению растительных остатков кукурузы. Кроме того, однолетние сорняки, преимущественно звездчатка средняя и мятлик однолетний, каждую весну накапливались на тех участках, где покровная культура не применялась. Покров почвы в условиях, когда покровная культура не применялась, с каждым годом увеличивался: с 90,9% в 1997 году до 98,9% в 1999-м. Объем покрова почвы растительными остатками на участках, где ежегодно использовалась вика мохнатая, составлял более 98%.

Концентрация гербицидов

Ожидалось, что концентрация гербицидов в почвенном растворе при использовании технологии No-till будет меньше, чем при традиционной обработке почвы. Шелтон и др. продемонстрировали, что концентрация атразина в почвенном растворе на этих полях при обработке плугом составляла примерно 5 промилле в верхних 5 см почвы, в то время как концентрация атразина при отсутствии обработки и без растительных остатков была в среднем 2 промилле. В наших экспериментах (рис. 1-3) именно большие объемы растительных остатков во все годы и недостаток своевременных дождевых осадков в 1998 и 1999 годах, вероятно, объясняют низкий уровень первоначальной концентрации как атразина (0,06-0,57 промилле), так и метолахлора (0,02-0,10 промилле).

Рис. 1
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 3
Рис. 1, 2, 3. Концентрация агразина и метолахлора в почвенном растворе в верхних 5 см почвы и дождевые осадки при выращивании монокультуры кукурузы по технологии No-till с использованием…….и без использования…….покровной культуры вики мохнатой в 1997 году. Планки погрешности показывают стандартную погрешность среднего значения. Символы без планок погрешности показывают, что стандартная погрешность была не больше ширины символа. Коэффициенты регрессии представлены в табл. 3.

Первоначальные уровни концентрации метолахлора и атразина в почвенном растворе через два дня после внесения в 1997 году были ниже на тех водосборных участках, где росла покровная культура вика мохнатая, чем там, где ее не было (рис. 1). Осадки в виде дождя с четвертого по шестой день после внесения в 1997 году привели к повышению уровня концентрации обоих гербицидов в почвенном растворе через шесть дней после внесения. Так как уровень концентрации обоих гербицидов в этот период снижался, данные для анализа коварианта с моделью распада первого порядка были взяты с шестого дня.

Этот анализ, проведенный в 1997 году для метолахлора, показал тесную взаимосвязь между покровной культурой и временем разложения (табл. 2), демонстрируя различную скорость потери гербицида в каждом из вариантов эксперимента. Скорость уменьшения количества метолахлора была выше при использовании покровной культуры вики мохнатой, что видно по периоду полураспада, составляющему 11,5 дня при использовании вики мохнатой, по сравнению с периодом полураспада в 18,8 дня без нее (табл. 3).

В 1998 и 1999 годах не произошло резкого скачка уровня концентрации метолахлора в почвенном растворе, как это было в 1997 году. Скорее всего, это связано с минимальным количеством дождевых осадков в течение первых 20 дней после внесения (рис. 1-3). Анализ коварианта был проведен по всем данным этих лет. Наблюдалось значительное влияние покровных культур на концентрацию метолахлора в 1998 году (табл. 2); первоначальный уровень концентрации метолахлора был на порядок ниже на водосборных участках, где росла вика мохнатая, по сравнению с теми участками, где ее не было (рис. 2). Слабое взаимодействие между покровной культурой и временем разложения гербицида в 1998 году, вероятнее всего, стало результатом очень низкого первоначального уровня концентрации метолахлора в вике мохнатой, поэтому для данных условий не представлялось возможным установить существенную регрессию (табл. 3).

В 1999 году, как и в 1997-м, наблюдалась тесная взаимосвязь между временем разложения и покровной культурой, влияющей на концентрацию метолахлора (табл. 2).

При использовании вики мохнатой гербицид быстрее исчезал из почвенного раствора (табл. 3). Поскольку никакой разницы в уровне стока с этих водосборных участков не было, быстрое исчезновение метолахлора из почвенного раствора при использовании покровной культуры вики мохнатой, скорее всего, происходило из-за быстрого разложения гербицида.

В 1997 и 1998 годах изначально низкая концентрация метолахлора в почвенном растворе при использовании вики мохнатой соответствовала более высоким объемам растительных остатков при применении данной покровной культуры (табл. 1). Сходные первоначальные уровни концентрации метолахлора в условиях использования покровной культуры в 1999 году были обусловлены высокими объемами растительных остатков данной культуры (табл. 1). Эти результаты совпадают с данными предыдущего исследования, которое показало, что растительные остатки могут удержать большое количество метолахлора, сохранив его даже после дождя.

С другой стороны, наличие покровной культуры меньше влияет на атразин, чем на метолахлор. Первоначальный уровень концентрации атразина был снижен викой мохнатой только в 1997 году, а анализ коварианта показывает, что в течение всех этих лет никакого значительного влияния или взаимодействия, включая условия использования покровной культуры, не наблюдалось (табл. 2).

Предыдущее исследование показывает меньшее удержание атразина растительными остатками и больший уровень высвобождения его осадками, чем метолахлора. Этим можно объяснять, почему в наших исследованиях покровная культура влияла на атразин меньше, чем на метолахлор.

Данные по атразину с и без покровной культуры вики мохнатой были объединены, так как не было существенного влияния покровной культуры (табл. 2).

Популяции сорняков

Однолетние злаковые сорняки составляли 88% от общего количества сорняков, проросших в 1997 и 1998 годах, и 72% от сорняков, проросших в 1999 году. Превалирующим однолетним злаковым видом было просо раздвоено-цветковое (данные не приводятся). Практически всегда взаимодействие между покровной культурой, гербицидом и временем отбора образца почвы имело значение для популяции злаковых сорняков. Так, щирица гибридная присутствовала в 1997 году в достаточном количестве, чтобы оказать значительное влияние на культуру.

В течение всех лет исследований плотность однолетних злаковых сорняков была максимальной на участках без покровной культуры, где не использовался гербицид (рис. 4). Количество злаковых сорняков при таких условиях составляло в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно 191, 77 и 46 растений на квадратный метр, основываясь на коэффициенте А в применяемых моделях Гомпертца (табл. 4).

Рис. 4. Влияние покровной культуры вики мохнатой (Vicia villosa Roth), а также атразина и метолахлора на плотность однолетних злаковых сорняков при выращивании монокультуры кукурузы (Zea mays L.) по технологии No-till. Варианты в опытах были следующие: отсутствие вики мохнатой, отсутствие гербицида.......; отсутствие вики мохнатой, наличие гербицида.....; вика мохнатая, но без гербицида.......; вика мохнатая плюс гербицид...... Планки погрешности показывают стандартную погрешность среднего значения. Символы без планок погрешности показывают, что стандартная погрешность была не больше ширины символа. Коэффициенты модели Гомпертца представлены в табл. 4.
Рис. 4. Влияние покровной культуры вики мохнатой (Vicia villosa Roth), а также атразина и метолахлора на плотность однолетних злаковых сорняков при выращивании монокультуры кукурузы (Zea mays L.) по технологии No-till. Варианты в опытах были следующие: отсутствие вики мохнатой, отсутствие гербицида…….; отсутствие вики мохнатой, наличие гербицида…..; вика мохнатая, но без гербицида…….; вика мохнатая плюс гербицид…… Планки погрешности показывают стандартную погрешность среднего значения. Символы без планок погрешности показывают, что стандартная погрешность была не больше ширины символа. Коэффициенты модели Гомпертца представлены в табл. 4.

Самоизреживание вследствие внутривидовой борьбы, скорее всего, и является причиной сокращения количества сорняков, проявившегося при данных условиях после максимального их присутствия в 1997 и 1998 годах (рис. 4). Постоянное сокращение максимального уровня густоты всходов сорняков можно также объяснить постоянно уменьшающимся количеством осадков с 1997 по 1999 год.

Растительные остатки вики мохнатой без гербицидов сократили максимальный уровень численности сорняков на 90, 82 и 50% в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно по сравнению с условиями, когда не использовались ни покровная культура, ни гербицид (подсчитано по коэффициентам А в табл. 4). Учитывая высокий уровень покрытия почвы растительными остатками во всех вариантах (табл. 1), такая степень подавления может показаться необычно высокой. На обоих участках было одинаковое количество остатков кукурузы. Тем не менее, вика мохнатая обладает более сильными подавляющими свойствами, чем достаточно ломкие и хрупкие остатки озимых сорняков, использовавшихся в опыте, где покровная культура не применялась.

Смесь гербицидов (атразин + метолахлор), вносившаяся до появления всходов культуры, без покровной культуры обеспечила снижение максимального уровня численности злаковых сорняков на 93, 72 и 72% в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно по сравнению с вариантом, где не использовались ни покровные культуры, ни гербициды (табл. 4). Скорее всего, именно метолахлор отвечал за контроль злаковых сорняков, так как просо раздвоено-цветковое было доминирующим видом в данной группе сорняков, и именно метолахлор, а не атразин предназначен для контроля этого вида. Благодаря использованию гербицидов, вносимых до появления всходов культуры, а также вики мохнатой максимальный уровень численности злаковых сорняков сократился на 96, 86 и 78% в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно по сравнению с вариантом, где ни покровная культура, ни гербицид не использовались (табл. 4). Тем не менее, основная часть контроля осуществлялась благодаря именно покровной культуре вике мохнатой. Дополнительный контроль за всходами злаковых сорняков от внесения гербицидов при использовании вики мохнатой составил лишь 24, 56 и 61% в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно по сравнению с использованием вики мохнатой без гербицидов. Следовательно, антагонизм между метолахлором, вносимым до появления всходов культуры, и викой мохнатой наблюдается потому, что уровень его концентрации в почвенном растворе был снижен растительными остатками покровной культуры.

В 1997 году было отмечено интересное взаимодействие со щирицей гибридной. В условиях, когда гербициды не использовались, плотность щирицы была меньше 5 шт/м2, что обусловлено конкуренцией со стороны злаковых сорняков, взошедших раньше. Щирица гибридная практически отсутствовала на участках, где применялся гербицид, но не было покровной культуры. Эта популяция оказалась устойчивой к триазину, поэтому можно предположить, что контроль щирицы гибридной обеспечивался метолахлором. Тем не менее, плотность данного сорняка на варианте, где использовались гербициды и вика мохнатая, через 36 дней после внесения была выше (17 растений/м2), чем на других участках. Эту уникальную ситуацию можно объяснить сочетанием следующих факторов: во-первых, метолахлор контролировал злаковые виды в достаточной степени, чтобы предотвратить их конкуренцию с щирицей гибридной; во-вторых, концентрация метолахлора в этом опыте к концу сезона стала незначительной (рис. 1); и в-третьих, оказалось, что растительные остатки вики мохнатой при определенных условиях могут стимулировать появление всходов щирицы.

Функция Гомпертца, моделировавшая данные по появлению всходов сорняков в этих экспериментах, представляет собой асимметричную кривую, которая перегибается в точке 0,14 х максимального значения. Из-за этой асимметрии точка перегиба дает приемлемый показатель начала появления всходов сорняков. Точка перегиба на варианте, где не использовались ни покровная культура, ни гербицид, возникла через 18, 7 и 10 дней после внесения гербицида в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно (табл. 4).

В 1997 году всходы появились несколько позже, чем в последующие годы, из-за более низких температур (средняя температура воздуха в первые 3 недели после посева составляла в 1997, 1998 и 1999 годах соответственно 16, 21 и 22 °С).

В 1997 и 1998 годах сама вика мохнатая никак не влияла на начало появления всходов сорняков. При применении гербицида до появления всходов культуры сорняки взошли на 3-9 дней позже при отсутствии покровной культуры и на 11-14 дней – при использовании вики мохнатой, в отличие от варианта, в котором не использовались ни покровная культура, ни гербицид (табл. 4).

В 1999 году применение только вики мохнатой задержало появление всходов сорняков на 14 дней. Во все годы гербицид и вика мохнатая способствовали задержке в появлении всходов сорняков на 7-10 дней по сравнению с вариантом, где использовался только гербицид. В тех случаях, когда произошли задержки, потенциал конкуренции сорняков, способный сократить урожаи кукурузы, был снижен.

Прогнозируемая концентрация метолахлора в почвенном растворе ко времени, когда начали появляться всходы сорняков, была рассчитана по уравнению первого порядка в день точки перегиба появления всходов сорняков (табл. 4). В соответствии с этим всходы злаковых сорняков начали появляться, когда концентрация метолахлора варьировала в пределах 0,015-0,043 промилле без использования покровной культуры, в то время как при ее использовании всходы начали появляться, когда концентрация метолахлора варьировала от 0,002 до 0,007 промилле (табл. 4).

Примерно в 10 раз меньше метолахлора потребовалось в почвенном растворе для задержки появления первых всходов злаковых сорняков при использовании вики мохнатой, чем без нее. Это можно объяснить повышенной чувствительностью к метолахлору проростков сорняков, ослабленных из-за нехватки света при прохождении через мульчу вики мохнатой.

Автор – участник конференции по No-till в Майском.

Редакция благодорит компанию Агро-Союз за содействие публикации.

Статья подготовлена  к печати кандидатом сельскохозяйственных наук Н. П. Косолапом

(Опубликовано в №09, 2008 г.)