Подход, когда пожнивные остатки и побочная продукция остаются на поверхности почвы, резко изменил агротехнику на Великих равнинах (США). Пожнивные остатки, оставленные на поверхности почвы, обеспечивают сохранение влаги в почве, поэтому фермеры могут использовать более длинные севообороты, не испытывая необходимости в чистом паре. Кроме озимой пшеницы, фермеры теперь выращивают в севообороте кукурузу, подсолнечник, сорго и просо, чередуя их с чистым паром. Влияние пожнивных остатков на водный режим зависит от их количества на поверхности почвы.

Рэнди Андерсон

Подход, когда пожнивные остатки и побочная продукция остаются на поверхности почвы, коренным образом изменил технологию выращивания культур на Великих равнинах (США). До 1930-х годов в этом регионе доминирующим был севооборот озимая пшеница – пар. Пожнивные остатки, оставленные на поверхности почвы, обеспечивают сохранение влаги в почве, поэтому фермеры могут выращивать больше культур, следующих одна за другой, прежде чем появится необходимость в чистом паре. Кроме озимой пшеницы фермеры сейчас выращивают в севообороте кукурузу (Zea mavs L.), подсолнечник (Helianthus annuus L.), сорго (Sorghum bicolor L.) и просо (Panicummiliaceum L.), чередуя их с чистым паром. Влияние пожнивных остатков на водный режим зависит от их количества на поверхности почвы.

Исследования Греба (Greb, 1983) установили, что уровень накопления влаги во время пара увеличивается на 10 мм на каждые 1000 кг/га растительных остатков озимой пшеницы. А по данным Викса и его коллег, урожайность зерна кукурузы возрастает на 5-8% на каждые дополнительные 1000 кг/га растительных остатков озимой пшеницы. Поскольку пожнивные остатки повышают урожайность сельскохозяйственных культур, фермеры ищут пути максимизации их количества на поверхности почвы.

Когда ученые и фермеры, выращивающие озимую пшеницу, в 1950-х гг. впервые признали, что пожнивные остатки, оставленные на поверхности почвы, имеют большое значение, они разработали такие орудия для обработки почвы как культиватор-плоскорез и штанговый культиватор, обеспечивающие образование стерневой мульчи.

При использовании мульчи сорняки в поле пара контролируются при помощи культиватора-плоскореза. Он состоит из V-образных лезвий, подрезающих корни сорняков на глубине 5-8 см. При этом из-за низкой степени воздействия этих орудий на почву при каждой операции заделывается в почву лишь 10% пожнивных остатков, а при обработке почвы двухследной дисковой бороной или отвальным плугом в почву заделывается 60-100% пожнивных остатков. Еще больше на поверхности почвы остается растительных остатков в системе земледелия No-till, где для контроля сорняков механическую обработку заменяют гербицидами.

Сегодня некоторые фермеры на Великих равнинах полностью перешли на систему земледелия No-till. Однако они обеспокоены распространение видов сорняков, устойчивых к гербицидам.

Когда впервые был разработан «экологический пар», фермеры полагались на атразин, считая его оптимальным вариантом контроля сорняков во время пара. Но теперь биотипы кохии веничной (Kochias coparia Schrad), щетинника зеленого (Setaria viridis Beauv) и куриного проса (Echinochloa crus-galli Beauv) стали устойчивыми к этому гербициду. Сегодня для уничтожения сорняков на поле чистого пара больше используется глифосат из-за его экономической выгодности и гибких сроков внесения. Однако постоянное использование этого гербицида привело к появлению в составе сорной группировки видов с повышенной к нему устойчивостью. Это обуславливает необходимость внесения более высоких норм препарата. Так, например, на полях некоторых фермеров увеличилась численность мелколепестника канадского (Conyza canadensis), молочая зубчатого (Euphorbia serrata L.), хлориса мутовчатого (Chloris verticillata Nutt.) и горца вьюнкового (Polygonum convolvulus L.). Для уничтожения этих видов требуется большая норма глифосата, чем обычно рекомендуется. Из-за сорняков, устойчивых к гербицидам, и выращивания кроме озимой пшеницы других видов сельскохозяйственных культур производственные затраты на контроль популяций сорняков увеличиваются, поскольку альтернативные глифосату и атразину гербициды являются более дорогостоящими.

По экономическим причинам и по причине устойчивости сорняков производители, использующие технологию No-till, воспринимают механическую обработку почвы как альтернативный вариант контроля устойчивых популяций сорняков и желают знать, насколько сильно эпизодическая обработка почвы влияет на эти сорняки. Механическая обработка почвы влияет на динамику появления всходов сорных растений, потому что заделка семян сорняков в почву увеличивает возможность их прорастания и повышает жизнеспособность всходов. Например, однократное применение культиватора-плоскореза привело в течение первого года к увеличению в два раза степени прорастания семян костра кровельного (Bromus tectorum L.) и эгилопса цилиндрического (Aegilops cylindrica Host) по сравнению с использованием системы No-till. Прорастание сорняков улучшается вследствие попадания их семян в более благоприятные почвенные условия.

 

Плотность произрастания сорняков: севообороты – ключ к успеху

 

Начиная с 1930-х гг. севооборот озимая пшеница – пар является доминирующим на Великих равнинах. С помощью этого севооборота производители ведут борьбу с однолетними зимующими сорняками, особенно с популяцией костра кровельного. Ученые сравнили различные системы обработки почвы при использовании стерневой мульчи и No-till и сделали вывод: костер кровельный продолжает засорять посевы озимой пшеницы независимо от системы его контроля во время пара. Они отметили, что условия окружающей среды, такие как продолжительность выпадения осадков после посева озимой пшеницы, влияют на густоту популяции костра кровельного так же, как и система обработки почвы.

Степень рациональности обработки почвы определялась количеством пожнивных остатков, расположенных на поверхности почвы, изучали и сокращенную обработку, и метод No-till. Исследователи также отметили, что и другие популяции увеличиваются при обеих системах, и предположили, что эта зависимость может наблюдаться только в севооборотах с короткими ротациями, состоящими лишь из одной-двух культур. Авторы высказали гипотезу о том, что плотность произрастания сорняков может быть уменьшена при использовании сберегающего земледелия, если севообороты будут более длинными и состоящими из нескольких культур. Результаты исследования Дауговиша и его коллег на Великих равнинах подтверждают эту гипотезу. Они изучали долгосрочную динамику развития озимых сорняков, эгилопса цилиндрического и ржи посевной (Secale cereale L.), при выращивании озимой пшеницы в зависимости от обработки почвы и севооборотов. Эти виды доминировали в севообороте озимая пшеница – пар при использовании культиватора-плоскореза и технологии No-till в течение 8 лет. Если в севооборот добавлялись культуры теплого периода, такие как подсолнечник и просо, эгилопс цилиндрический и рожь посевная почти полностью исчезали! Их плотность в севооборотах, куда входили культуры теплого периода, была более чем в 100 раз меньше, чем в севообороте озимая пшеница – пар. Двухлетний интервал между выращиванием на поле озимой пшеницы сокращал плотность сорняков из-за большой потери жизнеспособности их семян.

 

Уикс и его коллеги в дальнейшем изучили влияние 2-летнего интервала на сорняки в севообороте озимая пшеница – сорго – пар в Западной Небраске, оценивая сельскохозяйственные культуры как теплого, так и холодного периодов. В данном исследовании сравнивали влияние культиватора-плоскореза в системе No-till и механической обработки почвы на эффективность контроля сорняков в поле чистого пара. Во время выращивания культур засоренность посевов контролировалась при помощи гербицидов. Сообщество сорняков состояло из костра кровельного, куриного проса, щетинника зеленого, кохии веничной, щирицы обыкновенной, полевички опушенной и проса волосовидного (Panicum capillare L.). Спустя 18 лет видовой состав сорняков отличался в зависимости от варианта системы обработки почвы. При этом в условиях No-till численность сорняков была меньше. Например, плотность популяции костра кровельного была в 5 раз меньше при No-till, чем при использовании культиватора-плоскореза. Сходные тенденции были отмечены и с другими видами сорняков, их плотность в системе No-till была в 3-5 раз меньше.

 

Изучение севооборотов с удлиненным периодом ротации

Из-за увеличения накопления влаги в почве в системе No-till производители хотят свести к минимуму использование пара, включив в севооборот большее число культур теплого периода. Поэтому в начале 1990-х гг. были начаты исследования севооборотов, состоящих из озимой пшеницы, разных культур теплого периода и пара. По прошествии нескольких лет с начала исследований мы оценили изменения в популяциях сорняков на участке в Пиерре и Уолле (Южная Дакота) и в Акроне (Колорадо). На всех участках технология выращивания культур и борьба с сорняками были сходными с технологиями, которые широко используют фермеры в данном регионе. Видовой состав сорняков на этих участках был сходным с сорной группировкой в штате Небраска, отсутствовало лишь просо куриное.

В севооборотах (график 1) с более длинным периодом ротации отмечалось сокращение плотности сорняков по сравнению с севооборотами с более короткой ротацией. Так, например, в Пиерре разные севообороты состояли из культур холодного периода, таких как озимая пшеница и горох (Pisum sativum L.), и культур теплого периода, таких как кукуруза, соя и нут (Cicer arietinum L.). Посев культур теплого периода обычно происходил в начале мая, а горох сеяли в конце марта или начале апреля. В среднем на всех полях севооборота плотность сорняков при использовании севооборота озимая пшеница – пар (W-F) составила 31 шт./ м2. Доминировал в сорной группировке костер кровельный. В сево обороте озимая пшеница – нут (W-CP) количество сорняков увеличилось до 60 шт./ м2, при этом здесь отметили появление таких однолетних яровых сорняков как щетинник зеленый, полевичка опушенная, просо волосовидное и щирица обыкновенная, присутствовал также костер кровельный. В севообороте озимая пшеница – кукуруза – нут (W-C-CP) костер кровельный встречался редко, но плотность однолетних яровых сорняков составила 25 шт./м2. Четырехлетний севооборот, состоящий из двух культур холодного периода, озимой пшеницы и гороха, за которыми следовали две культуры теплого периода, кукуруза и соя (W-C-SB-Pea), способствовал сокращению густоты сорной группировки до 5 растений/м2.

Плотность сорняков в 4-летнем севообороте была в 12 раз меньше по сравнению с севооборотом озимая пшеница – нут (W-CP) и в 5 раз меньше по сравнению с севооборотом озимая пшеница – кукуруза – нут (W-С-СР). Сходные результаты получены и на других участках. Плотность произрастания сорняков была самой низкой в четырехлетних севооборотах с 2-летними интервалами между культурами холодного и теплого периодов (если использовали пар, то его причисляли к одной из двух категорий). Севооборот озимая пшеница – кукуруза – подсолнечник – яровая пшеница, используемый в Уолле, и севооборот озимая пшеница – кукуруза – просо – пар в Акроне сократили плотность сорняков в несколько раз по сравнению с такими севооборотами как озимая пшеница – просо или озимая пшеница – кукуруза – просо (см. таблицу).

 

Истощение семенного банка семян сорняков

Размещение холодостойких и теплолюбивых культур в севообороте с 2-летним интервалом способствует снижению засоренности, потому что создает благоприятные условия для естественной потери жизнеспособности семенами сорняков в почве. Выживание семян сорняков в почве имеет следующую закономерность: наибольшее снижение количества жизнеспособных семян происходит в первые два года после их осыпания. Менее чем 10% семян щетинника зеленого и костра кровельного оставались жизнеспособными после двухлетнего нахождения в почве. В 4-летнем севообороте система контроля сорняков за 2-летний период выращивания холодостойких культур способствовала предотвращению семенной продуктивности сорняков теплого периода, а контроль семенной продуктивности сорняков холодного периода проводился в течение 2 лет выращивания теплолюбивых культур. Следовательно, если семена сорняков не добавляются в почвенный банк семян, естественная потеря жизнеспособных семян во время 2-летнего интервала может сократить потенциальную плотность всходов сорняков в будущие годы более чем на 90%.

Мы были удивлены тем, что влияние типа севооборота на плотность сорняков отличалось на трех участках. Плотность произрастания сорняков в четырехпольном и двухпольном севооборотах отличалась друг от друга в три раза в Уолле и в шесть раз в Акроне, а в Пиерре разница составляла 12 раз (табл. 1). Эта разница в плотности произрастания сорняков не отражает отличия в видовом составе сорной группировки.

Доминирующими сорняками были костер кровельный, щетинник зеленый, кохия, щирица обыкновенная, полевичка опушенная и просо волосовидное.

Ключевой разницей была частота проведения механической обработки почвы. В Уолле для обработки почвы использовали культиваторплоскорез, вносили гербициды и удобрения, а также уничтожали сорняки в поле пара. При этом обработку почвы проводили от одного до трех раз ежегодно. В Акроне обработку почвы использовали один раз за ротацию севооборота. В Пиерре все годы применяли технологию No-till. Отличия между севооборотами на всех трех участках показывают, что механическая обработка почвы снижает влияние севооборота на численность сорняков.

Другой вывод, который можно сделать из результатов данных исследований, заключается в том, что механическая обработка почвы способствует росту сорняков. Плотность популяций сорняков была оценена в девяти севооборотах в Уолле и Пиерре.

В среднем по всем севооборотам плотность сорняков была в 6 раз больше в Уолле. Механическая обработка почвы обычно стимулирует всплеск численности сорняков из-за создания более благоприятных условий для прорастания их семян. Одновременно заделка семян сорняков в почву при механической обработке увеличивает их выживаемость, потому что почва защищает семена от экстремальных условий окружающей среды. Например, если семена щетинника зеленого находились в почве на глубине 10 см, то спустя 2 года сохранность жизнеспособных семян составляла более 50%, а если они находились на поверхности, то остались жизнеспособными менее чем 10% семян. Эта закономерность наблюдается и с другими видами. Сагар и Мортимер (Sagar and Mortimer, 1976) пришли к выводу, что выживаемость семян овсюга (Avena fatua L.) за зиму была в 5 раз больше, если семена находились на глубине 5 см, по сравнению с семенами, находящимися на поверхности почвы. Эгли и Уильямс (Egley and Williams, 1990) указали на сходные результаты, касающиеся однолетних яровых сорняков (график 2).

Первоначально исследование, посвященное взаимодействию сорняков и механической обработки почвы, указывало на то, что плотность произрастания сорняков, особенно однолетних, обычно была больше в системе No-till. Но результаты других исследований показали, что данное явление не всегда имеет место. Мойер и его коллеги привели множество примеров, где определенные виды сорняков реагировали по-разному на механическую обработку почвы. Для лучшего понимания изменений численности сорняков Чарльз Молер разработал математическую модель. В его модели было высказано предположение о том, что уровень всхожести семян сорняков будет самым высоким при использовании технологии No-till в первый год после осыпания семян по сравнению с неглубокой механической обработкой почвы или вспашкой. В противоположность этому всхожесть семян сорняков в условиях No-till будет меньше в последующие годы по сравнению с системами механической обработки почвы, потому что запас семян сорняков на поверхности почвы в условиях No-till уменьшается из-за их массового прорастания и гибели семян. Но это случается только тогда, когда новые семена не поступают на поверхность почвы в течение этого периода. Иначе плотность всходов будет оставаться более высокой в условиях No-till, чем в системах с механической обработкой почвы.

Общие тенденции изменения плотности сорняков в опытах с севооборотами на Великих равнинах согласуются с прогнозами модели в условиях No-till. Продуктивность семян сорняков холодного периода снижается во время 2-летнего интервала выращивания культур теплого периода, поскольку новые семена не пополняют почвенный банк семян. Соответственно, семенная продуктивность сорняков теплого периода невозможна во время выращивания культур холодного периода. Двухлетний интервал способствует естественному уменьшению численности сорняков в почвенном банке семян. Но на данных участках применение обработки почвы культиватором-плоскорезом в качестве меры по борьбе с сорняками сократило благоприятный эффект 2-летнего интервала из-за продления возможности выживания семян сорняков в почве.

 

Подавление сорняков пожнивными остатками

Преимущество растительных остатков, расположенных на поверхности почвы, состоит в том, что сокращается формирование травостоя сорняков.

Пожнивные остатки подавляют формирование сорняков за счет:

  • изменения условий прорастания;
  • наличия физических препятствий для проростков;
  • замедления прорастания семян за счет аллелопатии.

В сравнении с непокрытой почвой 1700 кг/га пожнивных остатков способствовали сокращению плотности сорняков на 17%, в то время как 6800 кг/га пожнивных остатков сократили плотность сорняков более чем на 80% (график 3). В исследовании, посвященном оценке эффективности различных систем, контролирующих рост однолетних озимых сорняков при выращивании озимой пшеницы, мы заметили, что количество растительных остатков озимой пшеницы, остающихся после уборки, варьировалось в зависимости от технологии выращивания культуры. Пожнивные остатки и солома после уборки озимой пшеницы, выращенной при использовании традиционного метода, составляли приблизительно 4000-4500 кг/га. При выращивании культуры с использованием более высокой нормы высева, более высокого сорта и при внесении при посеве азотного удобрения ленточным способом масса пожнивных остатков и соломы озимой пшеницы составила 6000-6500 кг/га (график 4).

Так как механическая обработка почвы может стимулировать прорастание семян сорняков, нас интересовало, может ли дополнительное количество растительных остатков озимой пшеницы уменьшать всхожесть сорняков, вызванную механической обработкой почвы. Чтобы проверить данную гипотезу, мы сравнили две технологии выращивания озимой пшеницы (разное количество пожнивных остатков) по влиянию на плотность всходов сорняков в кукурузе, подсолнечнике или просе, выращиваемых в следующем году. Мы также сравнили механическую обработку почвы и систему No-till в период после уборки пшеницы и перед посевом культур теплого периода в обеих технологиях выращивания озимой пшеницы. Участки обрабатывали при помощи культиватора-плоскореза дважды: осенью после уборки озимой пшеницы, а затем еще раз весной. В условиях No-till численность сорняков в период между уборкой озимой пшеницы и посевом контролировалась при помощи гербицидов. Сорная группировка состояла главным образом из щетинника зеленого, кохии, щирицы обыкновенной и проса волосовидного. Как ожидалось, технология с использованием высокого процента пожнивных остатков сократила всхожесть сорняков на 35-50% в посевах трех культур теплого периода по сравнению с системами с нормальным количеством растительных остатков в условиях No-till.

Но наша гипотеза, заключающаяся в том, что дополнительное количество пожнивных остатков уменьшит воздействие механической обработки почвы на динамику численности сорняков, была признана ошибочной. Так, например, плотность произрастания сорняков при выращивании кукурузы уменьшилась со 108 шт./м2 при использовании нормального уровня растительных остатков в условиях традиционной обработки почвы до 76 шт./ м2 в условиях No-till. Плотность уменьшалась далее до 62 шт./м2 в условиях использования большого количества растительных остатков с использованием технологии No-till. Но механическая обработка почвы при большом количестве пожнивных остатков привела к увеличению плотности произрастания сорняков с 62 до 102 шт./м2, тем самым нивелировав воздействие пожнивных остатков на уровень засоренности. Сходные результаты получили с подсолнечником и просом.

Заделка пожнивных остатков и семян сорняков вследствие обработки почвы, по всей видимости, изменила взаимодействие семян сорняков и почвы таким образом, что степень прорастания сорняков увеличилась вне зависимости от количества пожнивных остатков, находящихся на поверхности почвы. Так как потеря жизнеспособности семенами сорняков велика, если семена находятся на поверхности почвы в течение всей зимы, мы высказали предположение о том, что отсрочка первоначального использования механической обработки почвы культиватором-плоскорезом до следующей весны может свести к минимуму отличия в плотности сорняков при разных системах обработки почвы.

Таким образом, мы сравнили плотность сорняков при выращивании проса по технологии No-till и механической обработке почвы культиватором-плоскорезом, при этом первоначальная обработка почвы производилась за 4 недели до посева проса – в начале июня. Наша цель – получить максимальный эффект от естественной гибели семян сорняков в течение зимы до использования механической обработки почвы. Предыдущей культурой была озимая пшеница, которая дала большое количество растительных остатков, а в видовом составе сорной группировки преобладали щирица обыкновенная и щирица белая (Amaranthus albus L.). Даже с отсрочкой механической обработки почвы до весны плотность щирицы была в шесть раз выше при использовании обработки почвы по сравнению с технологией No-till. Большой процент гибели семян сорняков за зиму никак не сможет компенсировать увеличение всхожести семян из-за механической обработки почвы. В системе с обработкой почвы плотность щирицы сократила урожайность проса на 17%, но сорняки не повлияли на урожайность зерновых культур в условиях технологии No-till.

Дальнейшим результатом обработки почвы было то, что растения щирицы сформировали 48 300 шт./м2 жизнеспособных семян, что в 9 раз больше, чем при использовании No-till.

Меньшая урожайность после механической обработки почвы

Другим последствием применения механической обработки почвы является то, что урожайность культур снижается, если проведение обработки почвы культиватором-плоскорезом происходит в предпосевной период. В сравнении с методом No-till потеря урожайности при выращивании теплолюбивых культур по технологии с механической обработкой почвы варьировалась от 29% при выращивании кукурузы до 13% при выращивании подсолнечника. Урожайность сорго и проса также была меньше при применении механической обработки почвы. При подготовке поля под озимую пшеницу использовали 4-6 обработок культиватором-плоскорезом во время пара, при этом урожайность снизилась более чем на 30% в сравнении с технологией No-till.

Причиной снижения урожайности культур после механической обработки почвы является уменьшение влажности почвы.

Например, при использовании пара со стерневой мульчей запас доступной влаги в почве во время сева озимой пшеницы был на 7 см меньше, чем при системе No-till. Система No-till увеличивает накопление доступной влаги в почве, потому что растительные остатки на ее поверхности повышают уровень инфильтрации осадков и сокращают испарение влаги с поверхности почвы. Механическая обработка почвы способствует заделке пожнивных остатков, что в результате снижает эффективность сохранения осадков в этом полузасушливом климате.

Предпосылки для контроля популяции сорняков

Фермеры изменяют технологии выращивания культур, желая предотвратить появление у сорняков устойчивости к гербицидам. Механическая обработка почвы – один из возможных вариантов уменьшения гербицидного давления на сообщество сорняков. Но применение механической обработки культиватором-плоскорезом увеличивает засоренность посевов, что приводит к снижению урожайности культуры. Механическая обработка почвы перед посевом культур теплого периода может привести к увеличению затрат на ее выращивание. Система No-till предоставляет фермерам другие возможности для снижения формирования сорняками устойчивости к гербицидам.

Увеличение разнообразия культур в севообороте дает производителям возможность чередовать гербициды с различными способами действия. Кроме того, фермеры, которые используют севообороты, куда входят культуры холодного и теплого периодов, снизили плотность произрастания сорняков настолько, что затраты на гербициды можно было сократить на 50%. В четырехпольных севооборотах при выращивании их по технологии No-till некоторые культуры, такие как просо, не нуждаются в гербицидах для контроля сорняков. Тем не менее серьезной проблемой при No-till остается уничтожение сорняков в поле чистого пара. Фермеры ищут варианты сокращения использования глифосата или атразина в поле пара. Здесь помогут гербициды с различными способами действия, которые эффективно контролируют рост сорняков, а их стоимость близка к стоимости глифосата или атразина. Другим вариантом является использование зеленого пара, когда культуру выращивают лишь для получения вегетативной массы, а затем уничтожают, используя гербициды. Например, донник белый (Melilotus officinalis Lam.), выращиваемый в зимний период, сократил плотность сорняков на 75-97% в паровом поле по сравнению с использованием традиционного пара.

В то же время на Великих равнинах промежуточная озимая культура, выращиваемая для контроля сорняков, сократила урожайность озимой пшеницы из-за чрезмерного количества потребляемой ею воды. На урожайность пшеницы не влияло выращивание промежуточной яровой культуры в качестве зеленого пара, но только если она вегетировала не больше 6 недель. Если при помощи зеленого пара можно было бы устранить сорняки за 6 недель, фермеры смогли бы сократить гербицидное давление, вызываемое применением глифосата. Интервал использования зеленого пара можно соотнести с периодами наибольшего использования глифосата в предыдущие годы.