Севооборот и интервал между культурами: кто за кем

На урожай можно воздействовать при помощи последовательного упорядоченного чередования культур на поле. Отклик культуры при этом называют «эффектом севооборота». Например, после введения проса американского (Pennisetum glaucum) в один севооборот с гуаром (Cyamopsis tetragonoloba) урожай проса американского увеличивается в два раза по сравнению с его монокультурой в Индии. В штате Миннесота вводим кукурузу (Zeamays) в севооборот с соей и получаем более высокий (как минимум на 15%) урожай обеих культур в сравнении с монокультурной системой выращивания любой из них.

Поскольку обработка почвы сокращается во всем мире, чередование культур станет весьма ценной стратегией управления, так как эффект севооборота в системах минимальной обработки почвы и No-till-технологий проявляется ярче. Эффект севооборота объясняется множеством факторов: изменения в уровне влажности почв, круговорот и доступность питательных веществ, структура почвы, почвенные микробные сообщества и инвазии вредителей. Понимание причин и тенденций отклика культуры на последовательное чередование поможет ученым и производителям развивать более выгодные севообороты. Данная статья посвящена исследованию взаимодействия культур в севообороте и влияния этого фактора на урожай зерна. Она поможет понять основные принципы, которые позволяют принимать управленческие решения, ориентируясь на последовательность чередования культур в севообороте.

Широколистные культуры способствуют росту злаковых

Широколистные культуры обычно повышают урожай следующих за ними злаковых культур, но идентификация определенной причины такого отклика была трудной. Например, А.Т. Райт сравнил три бобовые культуры – горох (Pisumsativum), чечевицу (Lensculinaris) и конские бобы (Viciafaba) – на предмет их влияния на урожай ячменя (Hordeum vulgare) в Саскачеване, Канада. Ячмень одинаково реагировал на этих предшественников, давая урожай на 21% больше, чем посев ячменя по ячменю. В поисках возможных причин положительного эффекта бобовых Райт нашел, что отклик культуры ячменя не соотносился с различиями в циркуляции N, влажности почвы или с болезнями. Он предположил, что отклик культуры можно объяснить только сложным взаимодействием множественных факторов почвы.

График 1. Влияние широколистных культур на урожай озимой пшеницы в сравнении с монокультурой пшеницы (W – озимая пшеница; Sun – подсолнечник; СР – нут; FB – конские бобы и F – пар). Приведены средние данные за 7 лет; исследование проведено в Кордобе, Испания (Взято из Lopez-Bellido et al., 1996)

Другое исследование (на основе анализа многолетних данных от сотен фермеров в штате Манитоба, где по традиции непрерывно выращивают яровую пшеницу) вы­явило, что урожаи пшеницы значительно повысились после широколистных культур по сравнению с монокультурой пшеницы. Воздействие льна (Linum usitatissimum) на последующий урожай пшеницы было существенно больше, чем воздействие гороха или рапса (Brassicanapus) как предшествующих культур. Исследование также показало, что лен, как предшественник, обеспечил наибольшие доходы с урожая пшеницы. Лен – не бобовое растение. Таким образом, стимуляция им урожая пшеницы должна быть связана с иными факторами, а не с фиксацией азота. Ученые, работающие над этим вопросом, согласились с Райтом, что в эффект влияния широколиственных предшественников на злаковые культуры вносят вклад многие факторы.

На полузасушливом участке в Южной Испании исследователи изучали воздействие подсолнечника (Helianthus annuus), нута и конских бобов на урожай озимой пшеницы в сравнении с непрерывным ее выращиванием. Пшеница лучше всего реагировала на конские бобы, давая урожай на 46% больше, чем пшеница после пшеницы (см. график 1). Если предшествующей культурой был подсолнечник, то урожай увеличивался на 18%, а после нута урожай пшеницы увеличивался на 28%.

Различия в урожайности пшеницы, посеянной после подсолнечника и конских бобов, вероятно, связаны с различиями в количестве доступной для последующей культуры пшеницы почвенной влаге, поскольку различий в урожайности не наблюдалось в сезоны вегетации с повышенным количеством осадков. Однако конские бобы всегда были лучшим предшественником, чем нут (независимо от условий роста). Внесение азотного удобрения не исключало отклик урожая пшеницы на эти два предшественника. Не наблюдалось также различий в инвазии вредителями или болезнями. Эти данные предполагают наличие иных причин, обуславливающих различия в урожае.

Чтобы лучше понимать воздействие широколистных культур на пшеницу, полезно дифференцировать «преимущества азота», поставляемого бобовыми, и «преимущества не-азота», такие как подавление болезней или уменьшение аллелопатии, связанной с некоторыми пожнивными остатками. Исследователи в Саскачеване обнаружили, что преимущества дополнительного азота, полученного от бобовых культур, варьируют из года в год. Другие исследователи ранее определили благотворное влияние азота и не-азота, накопленного горохом, на урожайность пшеницы на нескольких участках и обнаружили, что эти параметры не только варьировались от участка к участку, но и подвергались влиянию приемов технологии, растениеводческой истории поля и условий периода вегетации.

Обе исследовательские команды предложили составлять севообороты, которые включают и бобовые, и не бобовые широколистные культуры, чтобы максимизировать эффект севооборота на зерновые.

Исследовательская команда в штате Миннесота, оценивая влияние сои на кукурузу, предположила, что эффект воздействия широколистных на кукурузу был связан с тем, что «кукуруза плоха для кукурузы», отсюда – выгодный эффект от сои. Дальнейшее исследование команды подтвердило эту гипотезу, поскольку влияние широколистных предшественников на кукурузу не наблюдалось среди следующих культур: люцерны (Medicagosativa), сои и подсолнечника.

Исследователи создали теорию о том, что аутотоксины от разложения корней предыдущей культуры кукурузы снижали урожай при выращивании монокультуры кукурузы. (Прим. ред. в качестве альтернативы: в этом исследовании необнаруженные болезни или вредные насекомые могли влиять на уменьшение урожая монокультуры кукурузы, а все три широколистные культуры одинаково сокращали уровни вредителей, другими словами, являлись агрономически превосходящими монокультуру кукурузы в данном климате.)

Даже при том, что широколистные культуры обычно благоприятны для злаковых, в некоторых ситуациях они могут быть вредны для последующих зерновых культур. Например, на полузасушливых равнинах в Акроне, штат Колорадо, было установлено, что подсолнечник снижает урожай озимой пшеницы. При сравнении двух севооборотов (пшеница – подсолнечник – пар и пшеница – кукуруза – пар) выяснилось, что урожай пшеницы был на 32% меньше в севообороте с подсолнечником. Потеря урожая была частично приписана меньшему количеству почвенной влаги в момент посева озимой пшеницы. Авторы исследования полагали, что стебли подсолнечника были менее эффективны в задержании снега, чем стебли кукурузы, тем самым сократив накопление влаги почвой во время пара. (Прим. ред.: различия в инфильтрации и испарении между стерней подсолнечника и кукурузы, вероятно, объясняются не только степенью задержания снега. Действительно, ученые, проводившие исследование, наблюдали большее количество стоячей воды и покрытой коркой почвы в севообороте с подсолнечником в сравнении с севооборотом, где присутствовала кукуруза.)

В опыте в Акроне в севообороте пшеница – подсолнечник – пар подсолнечник снизил урожай озимой пшеницы на 36%, а в севообороте пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар только на 8% по сравнению с эталонным севооборотом. Кроме того, тревожная тенденция наблюдалась в севообороте пшеница – подсолнечник – пар: урожай пшеницы уменьшился через какое-то время от 81% в 1994 году до 48% в 1999 году. Следует принять во внимание, что урожай пшеницы в севообороте пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар оставался выше 90% в течение 5 лет из 6-ти.

Урожаи пшеницы в 1995-м и 1998 годах в севообороте пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар отражают крайности выпадения осадков: выше нормы в 1995 году и ниже – в 1998-м. Однако урожай в севообороте пшеница – подсолнечник – пар понижался на 7% в год (г = 0,86) вне зависимости от осадков. Объяснение этой тенденции не было найдено, но удлинение севооборота при добавлении кукурузы компенсировало отрицательное воздействие подсолнечника на урожай пшеницы. (Прим. ред.: опять же, вероятно, проявляется эффект сохранения влаги.)

Воздействие севооборота на широколистные культуры

Большинство исследователей, изучающих эффекты сево­оборота, сосредоточились на улучшении урожая зерновых культур, например кукурузы или пшеницы. Однако эффект севооборота также наблюдается и тогда, когда зерновые культуры предшествуют широколистным. В одном исследовании урожай сои в севообороте с кукурузой был увеличен на 17% по сравнению с монокультурой сои. Исследователи не смогли определить причину такого отклика культуры на севооборот. Исследование в Саскачеване выявило, что когда лен сеяли после пшеницы, он давал больший урожай, чем после рапса – другой масличной культуры. Отклик культуры льна на стерню пшеницы был объяснен меньшим количеством болезней, чем в стерне рапса.

Подобные культуры – меньше выгоды

Чередование в севообороте культур одного типа (например, льна и рапса или пшеницы и ячменя) не столь благоприятно, как чередование разных типов культур. Проблема последовательности чередования в севообороте только широколистных культур состоит в том, что болезни растений обычно быстро распространяются. Карен Баили (из компании «Агри-Фуд» в Саскатуне, Канада) предостерегает производителей от слишком частого выращивания широколистных культур, особенно масличных, из-за проблем с болезнями. Кроме того, масличные и бобовые культуры могут служить растениями-хозяевами для патогенов, которые заражают обе культуры (например склеротиния). Если такие патогенные организмы присутствуют на растении, частоту широколистных культур, вероятно, придется уменьшить, чтобы избежать обширного распространения болезней в посевах. Исследователь предлагает чередовать разнообразные зерновые культуры с масличными и бобовыми в длинноротационных севооборотах.

Чередование разных злаковых культур обычно не так сильно воздействует на урожай, как чередование широколистных культур со злаковыми. Например, изучение севооборота в Турции показало, что урожай озимой пшеницы в тот год не был высоким в севообороте пшеница – ячмень и в монокультуре пшеницы. Напротив, сево­оборот пшеница – сафлор (Carthamus tinctorius) увеличил урожай пшеницы на 32%. Содержание почвенной влаги и азота при посеве пшеницы было близким в обоих сево­оборотах; это позволяет предположить, что улучшали рост пшеницы после сафлора другие факторы.

Некоторые последовательности чередования зерновых могут отрицательно влиять на урожай. В регионе Великих равнин США посев озимой пшеницы в пожнивные остатки сорго снизил урожай пшеницы на 15-30% по сравнению с вариантом посева пшеницы в стерню проса американского или после пара. Потеря урожая была приписана аллелопатическим составляющим, высвобожденным при разложении пожнивных остатков сорго. Сорго пагубно отражается и на кукурузе (Гана, западное побережье Африки). Так, при сравнении сорго и кукурузы в качестве предшествующих культур для кукурузы урожай был на 20-25% ниже, если предшествующей культурой было сорго. Потеря урожая была приписана аллелопатии и иммобилизации азота пожнивными остатками сорго.

Другие последовательности чередования зерновых могут положительно влиять на урожай культуры. Долгосрочное изучение севооборота в Акроне продемонстрировало, что выращивание кукурузы вместо проса американского в севообороте улучшило эффективность использования озимой пшеницей почвенной влаги. В севообороте пшеница – кукуруза – пар пшеница дала 30 ц/га при 250 мм общего водопотребления, а в севообороте пшеница – просо – пар урожайность пшеницы составила только 20,6 ц/га при том же самом водопотреблении.

Эффект севооборота, кажется, явление универсальное, он может быть выгоден и наиболее удачно реализован при правильной последовательности чередования культур в севообороте. Основной принцип в составлении севооборотов – разностороннее развитие культур в максимально возможной степени, особенно при использовании зерновых и широколистных культур. Но трудно экстраполировать все комбинации культур в севообороте, разные типы почвы и влияние окружающей среды. Например, воздействие сои на кукурузу сильнее проявилось в условиях низкого урожая, в противовес отклику зерновых культур прохладного сезона (пшеница, ячмень и т.д.) на широколистные культуры, который более явно проявлялся в условиях высоких урожаев. Эти контрасты говорят о том, что сложность взаимодействий между культурой, почвой и окружающей средой может привести к аномалиям среди комбинаций культур.

Важна длительность ротации севооборота

На урожай культуры можно воздействовать частотой ее выращивания. Концепция, известная как «интервал культур», выражается количеством лет, прошедших с момента последнего выращивания культуры. Более длинные интервалы способствуют естественному сокращению патогенных популяций в почве. Оптимальный интервал различен для разных культур и климатических условий. Так, оптимальный интервал для кукурузы составлял 2 года в Висконсине, 3 года в Минне­соте и 4 года в Небраске, в то время как самый высокий урожай сои получили после интервала культуры в 2 или 3 года. Озимая пшеница дала самый большой урожай на северо-западном побережье Тихого океана, когда ее выращивали один раз в 3 года. (Прим. ред.: часто интервал, заявленный как «оптимальный», то есть с самым высоким урожаем, – это просто самый длинный интервал, включенный в данное конкретное исследование. Возможно, более длинные интервалы могли бы обеспечить дополнительное повышение урожая, но очень длинные интервалы просто не изучались.)

График 2. Потенциал урожайности подсолнечника увеличивается в более длинноротационных севооборотах, как показано в исследовании, проведенном в Акроне, штат Колорадо. Данные были выведены из сравнения двух севооборотов с таким чередованием: подсолнечник – просо, пшеница – подсолнечник – пар; пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар. Для кукурузы: просо – кукуруза; пшеница – кукуруза – пар; пшеница – кукуруза – просо – пар. Для проса американского: пшеница – просо; пшеница – просо – пар; пшеница – кукуруза – просо – пар. Для озимой пшеницы: пшеница – пар; пшеница – кукуруза – пар; пшеница – кукуруза – просо – пар.

В исследовании в Акроне, которое включало четыре культуры, подсолнечник был наиболее отзывчив к интервалу, давая лучший урожай, если его сеяли раз в 4 года (см. график 2). При более частом выращивании сохраняющиеся в почве возбудители заболеваний (например фомоз) резко уменьшали урожай подсолнечника. На злаковые культуры интервал выращивания воздействовал меньше. Урожаи кукурузы и озимой пшеницы уменьшались, когда их выращивали каждые 2 года в сравнении с 4-летним интервалом, но на урожай проса американского интервал существенно не влиял. Эти данные подтверждают волнение Карена Баили относительно болезней растений, распространяющихся при слишком частом выращивании широколистных культур, таких как подсолнечник.

Пшеница, поле Дугласа Палена, фермера из Канзаса

Рост культуры может быть улучшен и при помощи организации различных культур в ряд по четыре. Исследователи, оценивавшие продолжительность ротации севооборота в области с достаточным уровнем увлажнения на юго-западе Франции, обнаружили, что севооборот с четырьмя культурами был наиболее производительным по сравнению с севооборотами с меньшим количеством культур. В исследованиях в Акроне был улучшен контроль над сорняками посредством использования севооборота из четырех культур с двумя однолетними озимыми культурами и двумя однолетними яровыми. В этом опыте отметили естественное снижение содержания семян сорняков в почве. Это приводит к сокращению уровня присутствия сорняков в посевах последующих культур. Исследование в Канаде показало, что фиксация азота чечевицей увеличилась в севооборотах с четырьмя различными культурами по сравнению с севооборотами, где было меньшее количество разных культур.

Использовавшиеся порядки чередования культур неким образом влияют на результат, например, изменяется пополнение влаги, аллелопатия и потенциальность вредителей. Более длинноротационные севообороты сопровождаются и другими закономерностями.

Эти исследования показывают, что проектирование севооборотов в сторону удлинения интервалов может увеличить эффект от чередования культур. Более длинные севообороты со временем могут дать дополнительное повышение урожая. Райт установил, что эффект положительного влияния широколистных культур на зерновые сохранялся для двух зерновых культур. Таким образом, порядок чередования культур в севообороте может быть составлен так, что будет наблюдаться положительное взаимовлияние действия среди нескольких культур подряд.