На поле сорняки размещаются неравномерно: на одних участках их много, на других мало (Cardina, Johnson & Sparrow, 1997). Пространственно такие участки могут быть относительно постоянны из года в год. Это может быть обусловлено:
• локальным осыпанием семян;
• относительной неподвижностью семенного банка;
• вегетативным размножением сорняков;
• мозаичностью почвенных условий (Colbach, Forcella & Johnson, 2000).

 

От чего зависит спектр засоренности

На поле может присутствовать множество сорных видов, но только некоторые из них будут представлять собой проблему, и только против отдельных видов необходимо принимать меры контроля. Каждый вид сорняков имеет определенный жизненный цикл и фенологию, исходя из которых и следует выстраивать систему контроля в посевах конкретной культуры.
Мозаичное расположение засоренных участков усложняет контроль и учет степени засоренности, а также видового состава сорного сообщества как в масштабах поля, так и фермы в целом. Сорняки приводят к потерям отдельных культурных растений. И хотя обычно методы контроля применяются на всем поле, эффективно действуют они чаще всего только на отдельные виды сорняков. Кроме того, поля отличаются между собой пространственным расположением сорняков и видовым составом сорного сообщества, что обусловлено различной потенциальной засоренностью, методами возделывания и контроля сорняков, типом почвы и дренажем, а также расположением в данном сельскохозяйственном ландшафте. Например, Джонсон (Johnson et al., 1995) установил, что отдельный сорный вид не всегда имеет одинаковую степень присутствия на разных полях. Основная задача производственников и ученых-гербологов в данном контексте – улучшение планирования и принятие решений посредством более простого и точного осмотра засоренных участков, оценка ущерба и экстраполяции динамики сорняков.
Данные о присутствии сорняков на отдельных полях и в пределах конкретного сельскохозяйственного ландшафта не являются абсолютно точными в силу несовершенства методики определения засоренности. На отдельном поле в определенный сезон сложно спрогнозировать, когда прорастут и как быстро будут расти сорняки по отношению к культуре, как много семян они сформируют и насколько эффективными будут выбранные технология выращивания культуры и система контроля сорняков (Ghersa & Holt, 1995).
Во-первых, отдельные представители сорных видов имеют более широкий спектр методов реагирования на погодные условия, чем культурные растения, высеянные на том же поле. Хотя каждый сорный вид имеет относительно определенный жизненный цикл, отдельные сорняки в пределах вида по-разному реагируют на одну и ту же влажность и на один и тот же температурный режим (Dekker, 1997).
Во-вторых, непредсказуемые изменения погодных условий в течение сезона оказывают существенное влияние на прорастание и рост сорняков, относительный темп развития сорняков и культур и уровень эффективности мер контроля сорняков. Например, изменчивые погодные условия в 1991-1994 годах в Миннесоте обуславливали такие явления, как задержка снежного покрова, холодный период в конце весны, исключительно влажные или засушливые условия весной и засуху в середине сезона. Это повлияло на дату подготовки почвы и посева, дату прорастания сорняков и эффективность гербицидов. Таким образом, хотя засоренность может быть стабильной за промежуток в несколько лет, фактическая плотность произрастания сорняков, фенология сорняков по отношению к культуре и уровень производства сорняками семян могут быть гораздо более изменчивыми, чем расположение засоренного участка, а, следовательно, такие параметры сложнее спрогнозировать.
В-третьих, за несколько сезонов выращивания культур ненаправленные случайные изменения в составе сорного сообщества, обусловленные колебаниями погодных условий, и плохо прогнозируемые направленные изменения, обусловленные особенностями возделывания конкретной культуры, происходят одновременно. Это взаимодействие привносит дополнительный уровень неопределенности в систему контроля сорняков. Все это может еще более усложниться непрогнозируемой инвазией новых сорных видов.
В-четвертых, производственники осуществляют контроль сорняков с учетом различных критериев и ограничений, возникающих каждый год. Мелкие фермеры постоянно ощущают влияние заболеваний в семье, экономических кризисов и низких цен на производимую продукцию. Крупные фермеры зачастую страдают от поломок техники, проблем с рабочей силой и неожиданных изменений расходов на ресурсы. Все эти факторы могут повлиять на выбор и своевременность применения мер контроля сорняков.
Тем не менее опыт показывает, что сорняки достаточно предсказуемы и посредством стандартных методов контроля засоренности фермеры могут избежать чрезмерного засорения посевов. Хотя полностью исключить сорняки из агрофитоценоза удается редко, что обусловлено локальным несоответствием между стандартными методами контроля и непостоянством пространственного распределения сорняков. Принятие решений фермерами в области управления сорняками направлено на сведение к минимуму этого несоответствия для повышения эффективности и сокращения рисков в растениеводстве. Актуальным остается вопрос учета неоднородности степени засорения и непрогнозируемых аспектов для огромного разнообразия условий ферм во всем мире.

 

Рисунок 1. Взаимозависимость комплексности решений по управлению сорняками

Адаптивное управление сорняками

С начала 1900 годов регулярное использование равномерно вносимых сельскохозяйственных химических препаратов способствовало получению впечатляющего повышения урожайности и производительности труда, сначала в условиях умеренного климата, а затем и в тропиках. Многие годы ученые изучали соотношение затраченных ресурсов и полученных результатов, чтобы определить лучшие методы контроля сорняков. При этом каждый метод имеет четко определенную краткосрочную цель. Специалисты, ученые, а позже и частные консультанты по растениеводству продвигали использование импортированных сортов, синтетических удобрений и пестицидов.
Эта простая модель производства, основанная на эффективном сочетании приобретаемых ресурсов для получения конечного продукта, напоминает промышленный процесс. В США производство кукурузы возросло в четыре раза в период с 1940 по 1990 год, причем выращиванием занималось меньшее количество фермеров на меньшем количестве площадей (Hossner & Dibb, 1995). В последние годы в Китае урожайность риса и пшеницы возросла соответственно в два и в четыре раза.
Однако с недавних пор ученые и общество в целом начали осознавать, что поле – это не завод, а скорее часть живой, чувствительной системы. Устойчивость сорняков к гербицидам, флористические изменения в популяциях сорняков сложно контролировать. При этом промышленный подход в применении ресурсов вызвал загрязнение грунтовых и поверхностных вод, негативно повлиял на здоровье человека. Теперь это признается повсеместно как часть рисков и внешних затрат на использование гербицидов и других химических препаратов.
Во многих тропических странах стандартизированный подход к повышению урожайности культур, предполагающий большие затраты ресурсов, неприемлем из-за сложного ландшафта, инфраструктуры, а также особенностей культур и систем возделывания, применяемых мелкими производителями (Pretty, 1995). Как результат, использование ресурсов в целом было непостоянным, а влияние на урожайность незначительным и нестабильным.
В странах центральной Америки в последние 30 лет не наблюдалось стабильное повышение урожайности бобов Phaseolus (FAOSTAT, 1999). В Никарагуа, например, с 1965 года урожайность бобов колебалась в пределах 0,5-0,9 т/га, но долгосрочная урожайность возросла лишь незначительно (неопубликованные данные Центрального банка Никарагуа, 1998). Аналогичная ситуация и с урожайностью кофе – 0,3-0,8 т/га. Союзом производителей кофе Никарагуа (UNICAFE, 1998) было установлено, что урожайность кофе можно увеличить в два раза благодаря усовершенствованным технологиям, а на лучших участках – в четыре раза при больших затратах ресурсов и лучшем управлении. В последние годы показатели отравления пестицидами и затрат иностранной валюты на импорт гербицидов также колебались, хотя не наблюдалось корреляции между ними и урожайностью культур (Berk, 1997).
Попытки улучшить технологии, применяемые в растениеводстве, в условиях умеренного и тропического климата, включая контроль сорняков, указывают на важный, но все еще неусвоенный урок. Прогресс оказался возможным, но не без затрат и неудач. Дальнейший прогресс будет зависеть от способности ученых, сотрудников службы экстеншн и фермеров справляться с более сложными задачами. Раньше преследовалась цель только повышения урожайности, сейчас ставится цель – повышение урожайности культур при обязательной защите здоровья человека и окружающей среды, улучшение качества почвы и воды, достижение более высокой конкурентоспособности полученной продукции на рынке. Эти факторы отражены на горизонтальной шкале, приведенной на рисунке 1, как повышающие экологическую, социальную и экономическую комплексность, оказывающие влияние на растениеводство.

 


В Англии подсчитано, что опрыскивание только засоренных участков позволяет сократить расход гербицидов на 7-97% по сравнению со сплошной обработкой


 

В случае с контролем сорняков это вызывает необходимость улучшения понимания экологии сорняков и культурных растений, а также потребность смягчить и свести к минимуму негативные последствия прошлого, такие как устойчивость к гербицидам.
Под воздействием такого системного подхода к растениеводству изучение контроля сорняков перешло от простого сопоставления затраченных ресурсов и полученных результатов (например, исследование норм внесения гербицидов и видов покровных культур с использованием рекомендаций для определенных участков (норма внесения гербицидов в зависимости от типа почвы), поиск решения проблем (ограничение конкуренции между то­варными и покровными культурами)) к прогно­стичес­­­­ким моделям с привлечением вспомогательных средств для принятия решений (Kropff & van Laar, 1993; Forcella et al., 1996). С одной стороны, эти изменения можно интерпретировать как последовательную доработку локальных рекомендаций для широкомасштабного планового управления сорняками. Эта вероятность отражена на вертикальной оси рисунка 1 (повышение способности прогнозировать и контролировать процессы, протекающие в мире природы). С другой стороны, эти достижения можно рассматривать как первые шаги на пути развития адаптивного управления сорным компонентом агрофитоценозов (Holling, 1978; Roling & Wagemakers, 1998).
В традиционном секторе современного сельского хозяйства большинство исследований направлено на обеспечение фермеров общими технологиями и рекомендациями, которые подходят для усредненных условий. Цель же адаптивной системы контроля заключается в постоянном повышении способности фермера разрабатывать и адаптировать элементы и системы контроля к местным условиям в изменчивых и непрогнозируемых ситуациях. Адаптивное управление сорняками предполагает, что разработанные рекомендуемые системы мер контроля сорняков основаны на далеко не идеальной информации, что эти методы контроля не полностью эффективны и что каждый сезон нужно учитывать дополнительные данные, чтобы разработать более эффективную систему контроля сорняков. Это повышает экологическую, социальную и экономическую приемлемость программы контроля сорняков на ферме.

 

Три подхода к управлению мозаичностью  произрастания сорняков

Три различных похода к практическому адаптивному контролю сорняков можно определить следующим образом: точное земледелие, механизированные экологические системы возделывания и экологические системы возделывания, предполагающие использование ручных орудий, работы вручную и периодическое использование живой тягловой силы для подготовки почвы. Эти три подхода отличаются по уровню затрат ресурсов, размеру поля и технологии производства. Однако они сходны в том, что ориентированы на повышение продуктивности почвы, производительности труда и капиталоотдачи посредством гибкого управления, основанного на количественной оценке местной изменчивости сорняков (табл. 1). В каждом случае фермеры стараются принять лучшие решения, приспосабливая методы контроля к особенностям произрастания сорняков в поле, а не используют стандартные методы сплошной обработки. Решения относительно выбора метода принимаются на основе мониторинга всех полей, а также в пределах отдельных полей с учетом состава сорняков и их размещения на поле.

Таблица 1. Сопоставление альтернативных подходов к улучшению контроля за изменчивостью сорняков на ферме

 

В точной системе земледелии для управления используется компьютеризованная пространственная информация. При использовании данного подхода прибор контроля урожайности в режиме реального времени, установленный на комбайне, подсоединен к спутниковой системе GPS для составления подробных карт урожайности, которые можно наложить на подробные карты почв. Сеялки и агрегаты для внесения удобрений, способные вносить семена и удобрения с переменной нормой, позволяют проводить корректировку нормы внесения в зависимости от производственного потенциала почвы. Более точное использование ресурсов может быть направлено на сокращение загрязнения окружающей среды в результате избыточного внесения удобрений или на еще большее повышение урожайности. Степень достижения каждой цели зависит от погодных условий, которые зачастую невозможно предугадать. Например, по данным Джейнса и Колвина (Jaynes & Colvin, 1997), на отдельных участках поля урожайность была ниже средней в один сезон и выше средней в другие. Это усложняет корректировку уровня внесения ресурсов, поскольку погодные условия сложно предсказать.
Результаты наблюдений за сорняками важно включить в базу данных, это позволит определить проблемные участки для дополнительных наблюдений при возделывании последующих культур. Техника для внесения гербицидов с переменной нормой позволяет корректировать норму в зависимости от типа почвы и засоренности определенными видами сорняков. Также были разработаны прототипы опрыскивателей, оснащенных сенсорами, распознающими сорняки, для внесения гербицидов только на тех участках, где они присутствуют (Thompson, Stafford & Miller, 1991). В Англии подсчитано, что опрыскивание только засоренных участков позволяет сократить расход гербицидов на 7-97% по сравнению со сплошной обработкой, например для контроля многолетнего сорняка пырея ползучего (Elymus (Elytrigia) repens) в посевах злаковых культур(Rew et al., 1996). Снижение расхода было незначительным в тех случаях, когда засоренные участки были обширными, а для обработки краев засоренных участков использовалась высокая доза гербицида. На участках же с уровнем засорения ниже порога вредоносности использовалась более низкая доза. Значительного сокращения расхода удалось достичь в тех случаях, когда засоренных участков было немного, но они характеризовались высокой плотностью произрастания сорняков, по краям участков обработка не проводилась, а участки, где уровень засорения был ниже порога экономической вредоносности, не опрыскивались.
Второй подход, который также применяется в механизированных системах земледелия, основывается на многочисленных взаимодействиях между разнообразными живыми организмами и физической средой в севообороте для сведения к минимуму влияния изменчивости сорняков и неопределенности их распространения, роста и развития. Управление сорняками осуществляется посредством манипулирования множеством факторов, которые оказывают негативное влияние на динамику популяции сорняков и в большей мере благоприятствуют культуре, а не сорнякам в системе взаимодействия культуры и сорняков.
Комплекс невредоносных сорняков поддерживается на уровне ниже порога экономической вредоносности посредством использования севооборотов, покровных культур, своевременной механической обработки, управления растительными остатками, выбором сортов, а также других приемов. Экологический подход ориентирован на создание многолетней системы возделывания, которая подавляет сорняки, а не на целенаправленный краткосрочный контроль на засоренных участках. Этот подход хорошо проиллюстрирован исследованием севооборотов, насыщенных картофелем, при использовании трех различных методов управления сорняками (традиционный, снижение затрат ресурсов и механический) и двух методов обработки почвы (Gallandt et al., 1998). В штате Санта Катарина на юге Бразилии тысячи фермеров постоянно используют сидеральные культуры, которые либо подсеваются к основной культуре, либо выращиваются в качестве покрова в период пара, чтобы предотвратить эрозию почвы, подавить сорняки, снизить затраты на их контроль и улучшить качество почвы (Bunch, 1993). Выращивание сидеральных культур механизировано, при этом используются орудия на животной тяге, которые прикатывают покровные культуры, сохраняя срезанную биомассу на поверхности почвы, и расчищают узкую борозду для посева. С 1987 года сочетание сидератов, навоза, сохранения почвы и влаги способствовало повышению урожайности сои и кукурузы более чем на 65%. Затраты труда на удаление сорняков и плужную обработку сократились. Как показывает пример возделывания картофеля при минимальной обработке почвы с использованием сидеральных культур, эффективность механизированного экологического подхода со временем повышается. При этом устраняется неравномерность засорения и неопределенность роста и развития сорняков за счет конкурентных способностей культур и использования разнообразных методов контроля.

 


Удаление основных вредоносных сорняков до того, как они сформируют жизнеспособные семена, посев покровных культур на участках, где плохо взошла культура, и выборочное покрытие мульчей участков, которые потенциально могут быть сильно засорены, – все это примеры мозаичного управления сорняками


 

Третий подход предполагает использование методов экологических систем земледелия, в частности сидераты, подсевные культуры и севообороты, но при этом применяются ручные орудия, иногда животная тяга и в очень редких случаях агрегаты на тракторной тяге. Это расширяет традиционные для мелких фермеров системы земледелия, которые хорошо подходят для локального управления сорняками на отдельных засоренных участках. Тесное взаимодействие умственного и ручного труда, а также скорость, с которой проводятся работы, позволяют проводить постоянный анализ состояния поля и культуры. При этом можно одновременно корректировать выполнение каждой операции. Фермеры, удаляющие сорняки на поле вручную, могут наблюдать локальную изменчивость как по травостою культуры, так и по уровню засоренности и одновременно корректировать план их контроля для большего соответствия неоднородности условий.
Удаление основных вредоносных сорняков до того, как они сформируют жизнеспособные семена, посев покровных культур на участках, где плохо взошла культура, и выборочное покрытие мульчей участков, которые потенциально могут быть сильно засорены, – все это примеры мозаичного управления сорняками.
Растениеводство, основанное на намеренной и альтернативной адаптации к неоднородности участка, все еще остается характерным для «природного» сельского хозяйства (Richards, 1985; Salick, 1989) и небольших садов. Сегодня его использование мелкими фермерами сократилось.
Они зачастую используют методы сплошной обработки поля в целом, несмотря на значительную изменчивость в пределах поля. Их способность использовать инновационные методы была снижена во многих регионах в результате больших социальных и экономических изменений, уменьшения размера ферм и сильной деградации почвы. Кроме того, сильное влияние оказывала выбранная местными властями политика внедрения инновации в области растениеводства и контроля сорняков, которая выражалась в определенных кредитных программах и деятельности по продвижению продукции сектора промышленных ресурсов современного земледелия (Van der Ploeg, 1993).
Производство бобов в центральной Америке в севообороте, при котором используется короткий пар и мульчирующее покрытие почвы, является примером экологического земледелия, адаптированного к местной неоднородности вегетации культур и сорняков. В данной системе семена бобов разбрасываются по поверхности поля после одно-, двух- или трехлетнего пара. После этого надземная растительная масса измельчается для формирования мульчи. Эта операция уничтожает все растущие сорняки, обеспечивает заделку бобов и способствует их дружному прорастанию. Дальнейшие работы по удалению сорняков не проводятся. Данная система характеризуется низкими затратами, небольшой потребностью в рабочей силе и способствует сохранению почвы. Недостатком этой технологии является низкая урожайность бобов.
Переход к механической обработке и использованию удобрений и пестицидов способствовал повышению интенсивности возделывания и урожайности, но затраты на ресурсы повысились, возросла потребность в рабочей силе, а ее использование оказалось нерентабельным в холмистой местности. Улучшение пара посредством высева на отдельных участках, где преобладали гондурасская тисония (Tithonia diversifolia) или вьющиеся бобы, канавалии (Canavalia ensiformis), способствовало сокращению плотности произрастания менее желательной растительности, увеличению биомассы, производимой в период пара, увеличению содержания питательных веществ в мульче, а также повышению урожайности бобов до 50% (G.Melendes, неопубликованные данные).
Использование занятого пара за счет подсева различных видов растений позволило получить более высокую урожайность бобов при меньшем повреждении их вредителями, чем при зеленом паре, где произрастали только природные местные виды. Это говорит о том, что фермерам на отдельных участках следует высевать определенные культурные виды, производящие большее количество биомассы, не исключая при этом использование отдельных видов сорняков, присутствующих на поле в период пара.

 

Мэтт Либманн,  адъюнкт-профессор факультета агрономии университета штата Айова
Чарльз Л. Молер, старший научный сотрудник факультета растениеводства и почвоведения Корнельского университета, ответственный редактор журнала Weed Sciense
Чарльз П. Стейвер, сокоординатор проекта в САТIE (Центр обучения и исследований сельского хозяйства тропиков), работает над интегрированным управлением вредителями

 

От редакции

Сорняки являются одним из биологических факторов риска получения запланированного уровня урожайности культур. Проблема сорняков возникла уже на первом поле, которое освоил человек; существует она сегодня и будет существовать в будущем. Почему же за столько веков не удалось решить ее окончательно? Почему маленькое растение успешно противостоит человеческим рукам, самому уникальному рабочему инструменту в мире, всем ручным орудиям обработки почвы, а сегодня – армаде разнообразных сельскохозяйственных машин фантастической суммарной мощности и совокупности продуктов химической и микробиологической промышленности? Почему ни многолетние усилия производственников, ни поиски ученых не дали ожидаемого результата? Даже сегодня мы не может более-менее точно оценить проблему сорняков в стоимостном выражении. Единственное, что мы можем подсчитать – количество денег, которое тратим на гербициды. Примерно столько же, сколько платим за все другие виды пестицидов, вместе взятые. А если к этому прибавить стоимость других приемов воздействия на сорняки? Ведь каждый прием обработки почвы призван решить задачу уничтожения сорной растительности. Причем все знают, что мы продолжаем терять урожай из-за сорняков, что на наших полях их больше допустимого. Побочное воздействие на окружающую среду приемов контроля сорной растительности имеет ярко выраженное негативное влияние. Эта совокупность нежелательной растительности на наших полях (объединенная одним понятием – «сорняки») слишком дорого нам обходится в прямом и переносном смысле, поэтому заслуживает самого пристального внимания.
В своих работах ученые признают, что термин «борьба с сорняками» следует заменить на более дипломатичный «контролирование уровня присутствия сорняков». Вековая борьба убедила нас в том, что победить сорняки невозможно, а если бы теоретически победа и была бы одержана, то оказалась бы пирровой. Только осознав роль и место сорняков в природе, мы признали, что они являются обязательным компонентом агрофитоценозов.
Вспаханное, лишенное растительности поле – аномалия в природе. Природа старается «залатать дырку». Для этого у нее есть набор видов растений, которые мы называем сорняками. Это аварийная команда, которая должна быстро прийти в то место, где произошло разрушение природной растительности вследствие пожаров, оползней или других катаклизмов. К сожалению, к ним относится и наша практика обработки почвы. Наряду с другими научными фактами, это положение обусловило возникновение новых систем земледелия, основанных на минимальной обработке почвы или полном отказе от нее.
Всего два десятка лет назад в Украине мало кто слышал о системе No-till. А сегодня производственники, несколько лет применяющие эту систему, говорят, что проблемы с сорняками у них нет: и сорняков меньше, и контролировать их легче. Многим это кажется невозможным.
Мы продолжаем публиковать серию статей отечественных и зарубежных авторов, посвященных современным подходам к проблеме засоренности полей в разных системах земледелия. Наша цель – помочь производственникам всесторонне разобраться в проблеме и разработать оптимальную для своего хозяйства систему контроля сорняков. Она должна не только соответствовать уровню биологической и экономической эффективности, но и быть экологически приемлемой. Сегодня именно такие системы контроля сорняков, основанные на экологическом подходе, разрабатываются в развитых странах. Надеемся, что новый цикл публикаций будет интересен и полезен всем нашим читателям.

 

Николай Косолап,научный редактор журнала, доцент кафедры земледелия и гербологии НУБиП Украины