Ученые и практики обеспокоены тем, что сорняки приобрели устойчивость к гербицидам и наносят все больший вред экологии и здоровью людей, снижают прибыльность хозяйств. Раньше эти проблемы были выделены в области управления членистоногими вредителями и возбудителями заболеваний растений. В 60-70-х гг. XX ст. они привели к развитию концепции интегрированного управления вредителями (ИУВ). Полезность концепции ИУВ в управлении насекомыми, клещами и возбудителями заболеваний растений привлекает внимание ученых. Они считают, что ее можно использовать и для сорняков. 

Характеристики и преимущества системного подхода

Согласно данным Боттрелла (Bottrell, 1979), ИУВ предполагает использование многочисленных методов и способов подавления и уничтожения вредителей для снижения ущерба от них до экономически приемлемого уровня. Основное внимание уделяется изменению характеристик среды обитания с тем, чтобы сократить популяции вредителей и способствовать здоровью растений, сохраняя полезные организмы, атакующие вредителей, а также используя сорта, устойчивые к вредителям. В системах ИУВ пестициды используются как терапевтическое средство только в том случае, когда профилактические меры не обеспечивают соответствующий контроль. Если внесение гербицидов считается необходимым, применяются препараты селективного действия с использованием методов, предполагающих минимальный риск для здоровья человека и окружающей среды. Ключевой момент систем ИУВ – своевременное принятие фермером решения, основанного на знании:

  • культуры, вредного объекта и биологии его естественных врагов;
  • численности популяции вредителя и его распределении по полю;
  • влияния экологических факторов и агротехнических приемов на взаимосвязи «культура – вредитель – его естественный враг»;
  • результатов по затратам и прибыли при использовании различных вариантов управления;
  • влияния различных вариантов управления на здоровье человека и окружающую среду.

Стратегии управления нежелательными организмами в агроэкосистемах, основанные на экологии, информированности, глубоких знаниях и включающие использование множества методов и способов, желательны по нескольким причинам. Во-первых, сорняки можно эффективно контролировать, используя методы, которые отдельно оказывают слабое влияние, но в комплексе оказывают сильное кумулятивное воздействие. Во-вторых, риск неурожая или серьезных его потерь можно существенно снизить, распределив нагрузку по защите культуры среди множества методов и способов, а также, когда доступна информация, позволяющая быстро откорректировать стратегию управления. В-третьих, интенсивность, с которой сорняки адаптируются или с которой у них развивается устойчивость к определенным методам и средствам управления, можно сократить, когда частота воздействия каждого из них сокращается. В-четвертых, угрозу экологии и здоровью человека можно свести к минимуму, если сократить использование пестицидов.

И наконец, в-пятых, снижение операционных затрат и повышение прибыльности может стать результатом снижения потребности в необходимых ресурсах посредством более эффективного использования знаний и местных материалов, специфических для каждого отдельного хозяйства. Как можно осуществить переход от системы традиционного управления сорняками к более устойчивым системам, основанным на экологическом подходе? Берд и его рабочая группа, а также МакРей (MacRae et al., 1990) описали общую модель, которую мы считаем подходящей для управления сорняками в промышленных странах. Она предполагает переход от высокого уровня использования традиционных гербицидов к повышению эффективности использования гербицидов, замене традиционных гербицидов более щадящими средствами и методами и, наконец, к изменениям на системном уровне для управления многочисленными экологическими взаимодействиями, упрощения процесса принятия решений и сведения к минимуму зависимости от приобретаемых невозобновляемых ресурсов. Вместе с тем для фермеров из развивающихся стран, которые все еще полностью не полагаются на гербициды, переход к системам экологического управления сорняками может предполагать значительное изменение структуры агроэкосистемы. Но при этом будут отсутствовать промежуточные этапы повышения эффективности использования гербицидов и замены ресурсов. Тем не менее, вероятно, что при изменении структуры системы в развивающихся странах основное внимание все еще будет уделяться улучшению использования множества тактик, местных биологических ресурсов, рабочей силы на ферме, а также знаний и навыков для своевременного контроля и принятия решений.

Фото 1.  Смешанный выпас КРС и овец как способ подавления многолетних сорняков Смешанный выпас КРС и овец как способ подавления многолетних сорняков

Повышение эффективности традиционных ресурсов

Так как популяции сорняков зачастую распределены по полю островками, на больших участках их плотность низкая. Поэтому в целях повышения эффективности использования гербицидов обработку сорняков следует проводить только там и тогда, когда их плотность повышается. Джонсон, Мортенсен и Мартин (Johnson, Mortensen & Martin, 1995) при составлении карт сорняков на кукурузных полях Небраски, где почвенные довсходовые гербициды вносились только ленточным способом над посевными рядами, установили, что в среднем 71% площади внутри ряда был свободен от широколистных сорняков и 94% – от злаковых сорняков; на 30% площади между рядами отсутствовали широколистные виды, а на 72% -злаковые виды. В результате был сделан вывод, что если бы гербициды вносились только там, где присутствовали сорняки, или там, где они превышают пороговую плотность, можно было бы существенно сократить использование гербицидов. Последние достижения в области сенсорных технологий в скором времени могут позволить проводить опрыскивание послевсходовыми гербицидами даже отдельных растений. На сегодняшний день уже можно вносить гербициды на отдельные небольшие участки поля с помощью систем удаленного сканирования и геоинформационных систем. Ручные и фитильные опрыскиватели также подходят для локального внесения гербицидов. Точное прогнозирование времени и места прорастания сорняков на основании более глубоких знаний динамики почвенного банка семян сорняков также может помочь фермерам избежать излишнего внесения гербицидов. Если стоимость контроля сорняков и внесения гербицидов на отдельных участках ниже, чем сплошного профилактического внесения, то на уровне фермы можно будет сократить прямые затраты и получить более высокую прибыль.

Замена гербицидов щадящими ресурсами

Под заменой ресурсов подразумевается замена традиционных гербицидов новыми синтетическими препаратами (Zoschke, 1994) или микробными продуктами, которые имеют меньший период остаточного действия, менее подвижны и не так токсичны для человека и других организмов. Замена дорогих средств также может включать частичную или полную замену гербицидов механическими методами. Наиболее распространенный метод – сочетание культивации междурядий с внесением гербицидов узкими лентами по посевному ряду. Сокращение использования более токсичных препаратов может способствовать снижению угрозы для экологии и здоровья. При ленточном внесении гербицидов этот подход поможет сократить производственные расходы и повысить прибыль. Для наиболее эффективного и надежного использования подход замены используемых средств требует проведения контроля популяций сорняков и их реакции на применяемые управленческие тактики. Как и подход повышения эффективности, данный подход скорее реакционный, чем предупреждающий и, как правило, не освобождает фермера от необходимости принимать внешние «исцеляющие» решения и использовать соответствующие ресурсы.

Изменение структуры агроэкосистемы

Для экологического управления сорняками характерно изменение структуры агроэкосистемы, включающее сдвиг от линейной взаимосвязи «один на один» между целевыми сорняками и определенной системой управления к сети взаимодействий между сорняками и многочисленными методами и способами управления и другими агротехническими приемами (Liebman & Gallandt, 1997). Основное внимание уделяется предотвращению проблем с сорняками и снижению потребности в приобретаемых ресурсах через более эффективное использование экологических факторов, которые обеспечивают создание стрессовых условий для сорняков или уничтожают их. Также большое внимание уделяется интегрированию действий по управлению сорняками с другими агротехническими приемами, что позволяет поддерживать продуктивность почвы и здоровье культуры, свести к минимуму воздействие других вредителей и неблагоприятных погодных условий, а также сократить финансовые риски.

Экснер, Томпсон и Томпсон (Exner, Thompson & Thompson, 1996) описали растениеводческое и животноводческое хозяйство в Айове, которое использовало агроэкосистемный подход для управления сорняками. На большей части фермы в 125 га использовался пятипольный севооборот (кукуруза – соя – кукуруза – овес + клевер – клевер на сено), создающий неблагоприятные условия для сорняков в конкуренции за ресурсы в результате изменения времени обработки почвы. Рожь, высеянная в качестве покровной культуры между возделыванием сои и кукурузы в данном севообороте, использовалась для аллелопатического подавления прорастания и роста сорняков. Система гребневой обработки почвы, которая использовалась для производства сои и кукурузы, способствовала уничтожению сорняков в посевном ряду при посеве, а также сводила к минимуму нарушение почвы и стимулирование прорастания сорняков до посева культур. Роторная борона и культиватор для междурядной обработки, разработанные для работы по толстому слою растительных остатков, также использовались для механического контроля сорняков. Культуры высевались с использованием нормы, превышающей обычную, чтобы повысить их конкурентоспособность. Владельцы данной фермы не отказываются от внесения послевсходовых гербицидов, если другие методы и приемы не обеспечили достаточный контроль сорняков, но, как правило, необходимости в этом не возникает. Они контролируют сорняки на своих полях, ремонтируют и улучшают технику и другие составляющие производственной системы, посещают дни поля, обмениваются информацией с другими фермерами и участвуют в совместных исследовательских проектах с учеными Университета штата Айова (Harp, 1996; Thompson, Thompson & Thompson, 1998).

Эксперименты, проведенные на ферме, показали, что используемая система управления сорняками защищает кукурузу и сою от конкуренции с сорняками так же эффективно, как и традиционная система, основанная на использовании гербицидов. Производственные затраты на этой ферме ниже, чем на традиционных фермах в данном регионе, но урожайность при этом не снизилась.

Сочетание методов управления сорняками, основанных на экологических принципах, также эффективно используют отдельные фермеры на территории Канадских прерий и Северных равнин США. Метесон и его рабочая группа (Matheson et al., 1991), а также и Хайлендер (Hilander, 1997) описали растениеводческие и животноводческие фермы в данном регионе, площадь земель которых варьировала от 400 до 1100 га, которые успешно функционировали при незначительном использовании гербицидов или вообще без них. Для подавления многолетних сорняков на пастбищах там использовали травоядных насекомых и выпас смешанного стада КРС и овец. На обрабатываемых почвах управление сорняками осуществлялось посредством использования более высокой нормы высева, возделывания конкурентоспособных сортов культур, проведения до- и послевсходовой обработки, а также использования севооборота. Различные однолетние культуры (пшеница, ячмень, овес, чечевица, горох, лен, гречиха и подсолнечник) выращивались поочередно или в смеси с многолетними или двухлетними фуражными бобовыми (люцерна, донник белый). В некоторых случаях в севооборот в качестве сидеральных культур включались быстро разлагающиеся бобовые (горох и чечевица). По возможности озимые культуры чередовали с яровыми. Чередование и смесь различных культур помогают предотвратить распространение адаптированных видов сорняков, подвергая их воздействию сложного комплекса стрессовых условий, а также пагубных для них факторов. Для экологического управления сорняками на территории Канадских прерий и Северных равнин Америки были предложены дополнительные варианты. Дерксен, Блекшоу и Боетчко (Derksen, Blackshaw & Boyetchko, 1996) предположили, что более обширное использование методов обработки, при которых на поверхности сохраняются растительные остатки, в сочетании с умеренным использованием гербицидов может способствовать улучшению среды обитания для насекомых, грибов и бактерий, которые питаются семенами и всходами сорняков. Исследователи отметили, что существует значительный потенциал сведения к минимуму использования гербицидов в системах сберегающего земледелия посредством повышения эффективности использования севооборотов, конкурентоспособных сортов, плотности произрастания культур и стратегий внесения удобрений, которые повышают конкурентоспособность культур по отношению к сорнякам.

Фото 2. Императа цилиндрическаяИмперата цилиндрическая 

Лайтфут и его рабочая группа (Lightfoot et al., 1989) описали применение подхода изменения структуры агроэкосистемы группой фермеров и ученых на Филиппинах, которые стремились управлять многолетним злаковым сорняком императой цилиндрической (Imperata cylindrical). Для инициирования процесса были проведены групповые встречи и посещены отдельные фермы, чтобы упростить обсуждение и определить влияние различных систем возделывания, методов поддержания плодородия почвы, времени выжигания и культивации, а также различных социоэко-номических вопросов, таких как землевладение, потребности в денежных средствах, доступность рабочей силы и здоровье семей. Эти обсуждения привели к признанию нескольких взаимосвязанных факторов, которые способствовали распространению императы цилиндрической, а именно:

  • на многих полях присутствовал минимальный покров почвы из-за выжигания растительных остатков и интенсивной механической обработки;
  • отсутствие покрова на поверхности почвы усугубляло низкое плодородие, обусловленное постоянным возделыванием культур и эрозией;
  • семена императы цилиндрической, заносимые с окружающих полей под паром, легко прорастали и давали всходы на непокрытой почве.

В ходе дальнейших обсуждений был сделан вывод, что плужная обработка и использование гербицидов -не подходят для борьбы с императой цилиндрической, поскольку финансовые ресурсы были недостаточными для использования тягловых животных или химических средств. Доступность рабочей силы также была определена как ключевой ограничивающий фактор. Однако некоторые фермеры наблюдали, что данный сорняк эффективно подавлялся при затенении интенсивно растущими видами. Затем фермеры данной группы осмотрели экспериментальные поля и демонстрационные участки, где исследователи и сотрудники службы экстеншн изучали интенсивно растущие бобовые покровные культуры для определения их способности улучшать плодородие почвы и обеспечивать защиту от эрозии. Фермеры обсудили потенциальную способность различных видов бобовых культур подавлять сорняки и выделили несколько (Pueraria, Centrosema, Desmodium spp.) для дальнейших исследований на своих фермах.

После семи месяцев первоначальных обсуждений 31 фермер данной группы начал эксперименты по апробации способности бобовых покровных культур улучшать почву и подавлять императу цилиндрическую. Фермеры с помощью исследователей оценили продуктивность сорняков и покровной культуры и посетили экспериментальные участки на других фермах. Ученые собрали информацию по трудозатратам. Все полученные данные были обсуждены участниками группы. Проект описан не полностью в том отношении, что Лайтфут и его рабочая группа не указали, как использование покровных культур в конечном итоге повлияло на управление императой цилиндрической. Однако, выступая в процессе решения проблем в качестве партнеров, как фермеры, так и ученые повысили свою способность принимать решения и взаимодействовать. Фермеры лучше узнали, как функционируют их системы возделывания, что им нужно и каковы варианты достижения поставленных целей. А ученые получили возможность более качественно разрабатывать и корректировать текущие исследовательские задачи, а также задачи по распространению знаний. Такой тип взаимодействия не менее важен и в промышленных странах.

Так бороться или не бороться и какими методами?

Во второй половине прошлого столетия гербология и технология управления сорняками были направлены только на уничтожение сорняков. Но реально ли это осуществить на большинстве обрабатываемых полей и пастбищах? Скорее всего, нет, учитывая экологические сходства между сорняками и культурами, которые они засоряют, способность многих сорных видов расселятся и быстро адаптироваться к оказываемому на них селекционному давлению. Традиционные способы уничтожения сорняков с помощью гербицидов снизили конкуренцию со стороны сорняков и повысили эффективность использования рабочей силы, но при этом привели к значительным затратам и загрязнению окружающей среды, росту зависимости от приобретаемых ресурсов производства. Кроме того, они составляют угрозу для здоровья человека. Необходимы новые подходы для эффективного управления сорняками и минимизации или исключения затрат.

Мы называем данную концепцию экологическим управлением сорняками. Оно не исключает использование гербицидов, но сводит его к минимуму путем создания сельскохозяйственных систем, обладающих характеристиками, способствующими подавлению сорняков. Подобно традиционным системам управления, экологическое управление сорняками не приводит к полному их уничтожению, но обладает потенциалом эффективного сокращения популяций сорняков, ограничения их конкурентоспособности и предотвращения нежелательных сдвигов в составе сорного сообщества. Вместе с тем такая система способна сократить использование невосстанавливаемых ресурсов, свести к минимуму угрозу для здоровья человека и окружающей среды, а также обеспечить положительные результаты для местной и национальной экономики. В отличие от подходов, основанных на использовании химических препаратов, экологическое управление сорняками не имеет краткого перечня заранее определенных средств, подходящих для широкого применения. Оно основывается на биологической информации, применении множества методов и приемов, решениях фермера и тщательной адаптации общих принципов к условиям отдельного хозяйства. Фермеры осознают необходимость применения экологических, а не химических систем управления сорняками.

Преимущества подходов, основанных на экологических принципах, могут обеспечить более продолжительное подавление сорняков, более чистый воздух и воду, а также минимизировать вред, который причиняется нецелевым организмам. Экологически чистое производство также может способствовать повышению прибыльности фермы через сокращение затрат и надбавки к цене, улучшение здоровья сельских жителей благодаря использованию методов, которые особенно хорошо подходят для семейных ферм. Разработка систем экологического управления сорняками в настоящее время находится в фазе младенчества. На многие вопросы исследовательского характера еще предстоит найти ответы. Кроме того, для широкомасштабного внедрения экологического управления сорняками потребуются изменения в курсе политики правительства и образовательной сфере. Однако мы считаем, что знаний, касающихся экологического управления сорняками, накоплено достаточно для того, чтобы использовать их на полях ферм и развивать методы экологического управления. Надеемся, из данной статьи читатель почерпнет максимум полезной информации для продвижения вперед.

 

Мэтт Либман, адъюнкт-профессор факультета агрономии университета штата Айова

Чарльз Л. Молер, старший научный сотрудник факультета растениеводства и почвоведения Корнельского университета, ответственный редактор журнала Weed Science

Чарльз П. Стейвер, сокоординатор проекта в CATIE (Центр обучения и исследований сельского хозяйства тропиков), Никарагуа, работает над интегрированным управлением вредителями