Сорняки имеют определенные экологические характеристики, которые отличают их от других растений. Особенно успешно они заселяют обработанные, но потенциально продуктивные участки, а также способны процветать при многократной обработке почвы. Виды, которые принято теперь называть сорняками, в основном существовали еще до того, как человек начал заниматься выращиванием культур, а тип поведения, делающий их жизнестойкими в среде жизнедеятельности человека, развивался независимо от человеческого общества. Тем не менее деятельность человека приводит к определенному избирательному изменению характеристики сорняков, что позволяет им лучше адаптироваться к воздействию людей. (Опубликовано в № 09.2011 г.)
Полевые сорняки имеют исторически сложившиеся свойства, позволяющие им адаптироваться к выживанию на фермах (табл.1). Понимание исторически сложившихся свойств сорняков позволяет выяснить, как работают методы контроля над ними и как их можно улучшить. По сравнению с большинством экосистем сельскохозяйственные поля не являются стрессовой средой для растений. Чтобы повысить продуктивность культур, фермер снижает стрессы за счет подготовки хорошего семенного ложа, внесения удобрений, орошения и искусственного дренажа. Более того, в системах возделывания однолетних культур созданные человеком ресурсы сильно превышают потребности как культурных растений, так и сорняков в течение нескольких недель после сева. В этот период конкуренция незначительно влияет на формирование всходов. В подобных условиях сорнякам довольно комфортно, поскольку у них очень высокая относительная скорость роста. Они растут быстрее и занимают место до того, как ресурсы будут монополизированы культурным растением или рудеральными видами сорняков, которые могут оказаться на участке. Высокая относительная скорость роста сельскохозяйственных сорняков совпадает с наличием свободных ресурсов, предоставленных человеком. Вместе с тем сорняки больше подвержены отрицательному воздействию затенения, чем виды, характерные для менее нарушенных экотопов. Если питательных веществ в избытке, сорняки зачастую накапливают повышенные концентрации минеральных питательных веществ по сравнению с культурными растениями. Но удивительно, что, когда питательных веществ недостаточно, иногда сорняки страдают больше, чем культуры, тогда их рост сильно замедляется. Присущие культурным растения физиологические особенности, похоже, не позволяют им полностью адаптироваться как к высоким, так и к низким уровням освещенности, а также к высокой и низкой доступности питательных веществ.
Сельскохозяйственные сорняки находятся на одном из этих экстремумов адаптационного континуума.
Так как полевые сорняки формируются в основном в условиях низкой конкуренции, семенным зачаткам нужно от материнского растения лишь небольшое количество питательных веществ. Поэтому семена сорняков обычно весят всего несколько миллиграммов или даже меньше (табл. 2). Маленький размер семян позволяет взрослым растениям производить их в большом количестве. Это облегчает распространение на новые участки. Более того, высокий уровень воспроизводства необходим для компенсации высокого уровня гибели, вызываемого неоднократным нарушением почвы в течение вегетационного периода и непредсказуемостью окружающей среды, создаваемой севооборотом и погодными изменениями.
Сорняки справляются с непредсказуемостью благодаря тому, что их семена могут синхронизовать свое формирование с благоприятными условиями. Кроме того, они распределяют риски в течение года в зависимости от условий окружающей среды за счет круглогодичной вегетации и семенных банков. Все эти особенности позволяют сорнякам процветать в полевых условиях. Но если хорошо знать эти особенности, то можно разрабатывать эффективные системы контроля уровня присутствия сорняков на поле. Естественно, из каждого правила есть исключения. Но во избежание напрасных отступлений от темы эти исключения не будем комментировать подробно.
Жизненный цикл сорняков
На протяжении жизненного цикла сорняки проходят несколько стадий: прорастание, формирование, рост, воспроизводство, распространение и период покоя. Меры контроля сорняков обычно направлены на определенную стадию. Более того, неодинаковое поведение видов на каждой стадии приводит к разной их уязвимости к мерам контроля различных методов. Таким образом, жизненный цикл является организующим принципом для интеграции различными методами контроля сорняков в единую интегрированную систему. Сельскохозяйственные сорняки различаются по многим экологическим свойствам, но их никоим образом нельзя считать однородной группой видов. Вообще, можно выделить следующие четыре категории жизненных циклов сорняков (табл. 2):
1. Однолетние сорняки. Растут от прорастания до воспроизводства (формирования семян) в течение одного вегетационного периода. За некоторыми исключениями, их семена сохраняют жизнеспособность в почве как минимум несколько лет, а в основном в течение десятилетий.
2. Семенные малолетники. Растут от двух до нескольких сезонов (двухлетние также включены в эту группу). Так как малолетники не восстанавливаются путем вегетативного размножения, в конце концов, они погибают. Как и у однолетних сорняков, семена малолетников могут сохранять жизнеспособность в почве как минимум несколько лет, а зачастую намного больше. При благоприятных условиях эти виды способны давать семена в год формирования, но часто им нужно больше времени для формирования жизнеспособных семян. Большинство семенных малолетников – широколистные виды. Многолетние кустовые злаки являются промежуточным видом между семенными и вегетативными многолетниками, потому что большинство из них могут производить семена бесконечно долго, но обладают ограниченной способностью для вегетативного размножения.
3. Многолетние сорняки. Они способны размножаться вегетативно. Так как вегетативные многолетники размножаются при помощи отростков и фрагментации, продолжительность жизни генетического индивидуума не ограничена и потенциально очень большая. Несмотря на то что большинство этих видов производят семена, размножаются они в основном отростками. Семена большинства вегетативных многолетников в почве сохраняют жизнеспособность чуть больше года, лишь у некоторых продолжительность жизни семян может быть больше. Следовательно, семена этой группы сорняков очень редко встречаются в почвенном банке семян.
4. Древовидные сорняки. Это многолетние растения, дающие прочные побеги. Несмотря на то что некоторые их виды распространяются вегетативно, размножаются они в основном семенами. Семена древовидных сорняков относительно крупные, с коротким периодом сохранения жизнеспособности, распространяются в основном ветром или птицами. Они создают проблемы в многолетних системах, например в садах, постоянных пастбищах и сенокосах. Кроме того, древовидные сорняки могут представлять определенную проблему для однолетних культур, посеянных по технологии No-till (J. Cardina, личное общение). Древовидные вьющиеся сорняки – зачастую самая трудная группа для контроля, так как они могут разрастаться в стороны, быстро достигая садов, и используя ветви культурных растений в качестве поддержки. Такие противоположные характеристики четырех групп выражают скорее экологический, нежели физиологический компромисс. Размножение ризомами, вероятно, физиологически не связано с низкой способностью сохранять жизнеспособность семян в почве. Вообще, адаптация к различным стадиям экологической последовательности привела к формированию четырех основных экологически различных типов сорняков. После сильного нарушения экотопа, например механической обработки, доминируют однолетние сорняки, так как их жизнеспособные семена в изобилии представлены в почвенном банке. Популяции семенных малолетников также начинают формироваться после механической обработки почвы. Однако в связи с тем, что они существуют в вегетативном состоянии дольше, чем однолетники, им необходимо накапливать свои ресурсы в корнях, следовательно, темп роста их всходов будет ниже. Таким образом, в первый год после механической обработки почвы, в поле будут доминировать однолетние сорняки, несмотря на то, что семян семенных малолетников в семенном банке может быть даже больше. В связи с тем, что второй сезон семенные малолетники начинают рост с большим потенциалом, чем вновь появившиеся всходы однолетних сорняков, они могут лучше конкурировать со сформировавшимися многолетними культурными растениями после первого года. Как следствие, они больше распространены на полях, где выращиваются многолетние травы на сено или сенаж. На сельскохозяйственных угодьях, кроме пашни, вегетативные многолетники растут в основном после первого года роста на плодородных нарушенных почвах (места постоянного скопления животных, осевшая вытоптанная почва вдоль ручьев). Вегетативные многолетние сорняки, например пырей ползучий (Elytrigia repens) и бодяк полевой (Cirsium arvense), зачастую встречаются на хорошо задернелых, заброшенных полях, обочинах дорог и даже в лесу. Развиваться в условиях повышенной конкуренции в ходе естественного отбора им помогает биологическая способность хорошо снабжать свои отростки. Возможно, в стратегии их роста семена служили в основном на случай риска необходимости распространения на большие расстояния. Начало интенсивного использования механической обработки почвы в значительной степени изменило условия существования вегетативных многолетников. В ходе обработки почвы дочерние растения отделяются от материнских и распространяются по всему полю, а также переносятся на другие поля. Механическая обработка удаляет конкурирующую растительность, это ставит рассредоточенные многолетние сорняки в выгодное положение: у них хорошо обеспеченные питательными веществами отростки при относительно низком уровне конкуренции. Как следствие, большинство самых вредоносных и трудноискоренимых сорняков в мире являются представителями группы вегетативных многолетников (Holm et.al., 1977). По сути, эти виды обладают свойствами, которые возникли в ответ на условия, сильно отличавшиеся от сегодняшнего земледелия, но они успешно приспособились выживать в условиях умеренной обработки. Однако глубокая и частая механическая обработка губительна для этих видов. Древовидные многолетние сорняки – основная проблема в садах и на пастбищах. Несмотря на то, что они помогают восстановить почву и борются с вредителями и заболеваниями во время восстановительной стадии, например в подсечно-огневой системе земледелия, они могут снижать продуктивность культурных растений в период их выращивания (Staver, 1991). Древовидные многолетние сорняки плохо адаптируются к системам земледелия с ежегодной обработкой почвы по двум причинам. Во-первых, лишь несколько видов сорняков этой группы формируют постоянный семенной банк, следовательно, синхронизация формирования семян с однолетней культурой возможна очень редко. Во-вторых, дерево – энергетически дорогой способ вертикально держать растение по отношению к давлению клетчатки и тургорному давлению, поэтому молодые древовидные растения растут медленнее, чем травы (Grime & Hunt, 1975), и редко являются конкурентами травянистых однолетних растений. Таким образом, механическая обработка не позволяет древовидным сорнякам выживать больше года, они плохо адаптируются к однолетним системам возделывания культур. Тем не менее продолжительный период жизни, высокий рост и быстрая регенерация после обрезки делают их серьезными сорняками в садах и на пастбищах, а также существенной проблемой в однолетних культурах, высеянных по технологии No-till.
Сорняки-паразиты – еще одна категория сорняков, не включенная в таблицу 2. Так как их поведенческие реакции похожи на реакции других древесных растений (формирование и рассеивание семян), принципы, обсуждаемые в этой статье, применимы как к ним, так и к сорнякам, которые влияют на культурное растение в основном через конкуренцию за ресурсы. Поскольку их поведенческие реакции больше похожи на реакции патогенов (например, прорастание в присутствии корней хозяина, источник питания), их изучение является специализированной сферой науки. Вопросам экологии и управления сорняками-паразитами посвящены книги Musselman, (1987); Pieterse, Verkleij & ter Borg, (1994); Hosmani, (1995).
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
От редакции
По сути, здесь заканчивается информационный массив теоретического обзора сущности и особенностей сорняков. В следующих публикациях будут проанализированы методы нехимической борьбы с вредоносным воздействием сорняков на урожайность культур и эффективность промышленного растениеводства.
Редакция благодарит компанию «Агро-Союз» за помощь в подготовке статьи.
2021-06-22