Земледелие

Предшественники и последователи

Данное исследование преимущественно базируется на опытах, проведенных в сходных с Украиной климатических зонах. Достаточно близки по своим характеристикам и почвы. Поэтому выводы ученых, достигнутые за океаном, вполне применимы на практике в наших системах хозяйствования. А значит, реальна и возможность побороться за результаты, сопоставимые с заокеанскими

Автор:
Рэнди Андерсон

На урожайность культур влияют последовательность и порядок, то, что мы называем «эффект севооборота». Например, севооборот кукурузы с соей привел к улучшению урожайности обеих культур как минимум на 15% по сравнению с монокультурной системой каждой из культур. Системы, направленные на сбережение почвы, получают распространение по всему миру, чередование культур становится все более важным инструментом стратегии управления, т.к. влияние севооборота на урожайность выше в системах минимальной обработки и No-till.

Эффективность севооборота зависит от множества факторов, таких как изменения во влажности почвы, доступность питательных веществ, структура почвы, колонии микроорганизмов, наличие вредителей. Понимание причин и последствий реакции урожайности на чередование культур поможет ученым и фермерам разработать более разнообразные севообороты.

Зависимость урожайности от разнообразия культур

Широколистные культуры обычно хорошо взаимодействуют с травянистыми культурами.

Широколистные культуры обычно повышают урожайность последующих травянистых культур, однако трудно определить специфическую зависимость одного растения от другого. Например, Райт в 1990 г. сравнивал три бобовые культуры – горох (Pisum sativum L.), чечевицу (Lens culinaris L.) и конские бобы (Viciafaba L.) по их влиянию на урожайность ячменя (Hordeum vulgare L.) в Саскачеване, Канада. Ячмень одинаково реагировал на предыдущие культуры; его урожайность повысилась на 21% по сравнению с урожайностью, которую бы дал ячмень, если бы сам был предыдущей культурой. В поисках возможных причин воздействия бобовых Райт обнаружил, что реакция ячменя не связана с различиями в цикличности азота, влажности почвы или заболеваниями; он предположил, что только объяснение, основанное на комплексном взаимодействии множества факторов, может дать ответ.

Бурже и Энтц, сравнивая севообороты при продолжительном выращивании яровой пшеницы в Манитобе, Канада, обнаружили, что лен (Linum usitatissimum L.) повышает урожайность пшеницы в два раза эффективнее, чем горох или рапс (Brassica napus L.). Они также обнаружили, что лен обеспечивает постоянные преимущества в урожайности пшеницы. Лен не является бобовой культурой, следовательно, факторы, влияющие на его урожайность, не должны быть связаны с фиксацией азота. Бурже и Энтц соглашаются с Райтом, что влияние широколистных растений на пастбищные культуры зависит от множества факторов.

В засушливой местности в северной Испании Лопез-Беллидо и др. изучали влияние подсолнечника (Helianthus annum L.), турецкого гороха (Cicer arietinum L.) и конских бобов на урожайность озимой пшеницы по сравнению с продолжительным выращиванием озимой пшеницы. Лучше всего пшеница взаимодействовала с конскими бобами; урожайность была на 46% выше, чем при продолжительном выращивании пшеницы (рис. 1). Если подсолнечник был предыдущей культурой, урожайность повышалась на 18%, при использовании турецкого гороха урожайность пшеницы увеличивалась на 28%. Разница в урожайности пшеницы, посаженной после подсолнечника или конских бобов, достоверно отражает уровень почвенных вод при последующем выращивании пшеницы, так как разница в урожайности не наблюдалась при повышенном количестве осадков. Так или иначе, пшеница лучше растет в чередовании с конскими бобами, чем турецким горохом, вне зависимости от условий роста. Внесение азотных удобрений не устранит реакцию пшеницы на эти два вида даже при различных вредителях и болезнях. Эти данные предполагают, что разница в урожайности зависит от других факторов.

Рис. 1. Воздействие широколистных культур на урожайность озимой пшеницы по сравнению с продолжительным выращиванием пшеницы (W: озимая пшеница; Sun: подсолнечник; СР: турецкий горох; FB: конские бобы; и F: пар). Данные являются усредненными за 7 лет. Исследование проводилось в Кордобе, Испания.

Чтобы лучше понять влияние широколистных на пшеницу, Вэки и Брандт дифференцировали воздействие на «связанное с азотом», зависящее от бобовых, и «несвязанное с азотом», например, заболеваемость или уменьшение аллелопатии, связанное с остатками зерновых. Они обнаружили, что польза от азота все время варьируется. Развивая дальше эту концепцию, Стивенсон и Ван Кессель посчитали выгоду, связанную и несвязанную с использованием азота, а также от влияния гороха на урожайность пшеницы в нескольких местах. Они обнаружили, что отношение выгодности, связанной с азотом, к несвязанной азотом не только варьировалось на разных участках, но и зависело от условий сезона созревания, работы с растениями. Обе команды согласились, что необходимо разработать зерновые севообороты, включающие в себя бобовые и небобовые широколистные культуры для достижения максимальных результатов.

Крукстон и др., изучая воздействие сои на кукурузу, предположили, что эффект от кукурузы характеризуется тем, как «кукуруза является неприемлемой для кукурузы», а не выгодным воздействием на сою. Дальнейшие исследования, проводимые этой командой, поддерживали гипотезу, что эффект от кукурузы одинаковый для люцерны (Medicago sativa L.), сои или подсолнечника; они предположили, что автотоксины от разлагающейся корневой системы уменьшают урожайность при продолжительном выращивании кукурузы.

Несмотря на то, что широколистные культуры обычно подходят пастбищным культурам, они могут приносить вред следующим культурам. Например, в засушливых прериях США было обнаружено, что подсолнечник уменьшает урожайность озимой пшеницы. Сравнивая севообороты пшеница – подсолнечник – пар и пшеница – кукуруза – пар, выяснили, что урожайность пшеницы в чередовании с подсолнечником была на 32% ниже. Потеря урожайности была частично связана с меньшим количеством влаги в почве во время посева пшеницы. Авторы предположили, что стебли подсолнечника хуже захватывали снег, чем стебли кукурузы, уменьшая тем самым насыщаемость почвы под паром.

Травянистые культуры также улучшают урожайность широколистных культур.

Большинство исследователей, изучающих севообороты, сконцентрировано на улучшении урожайности травянистых культур, таких как кукуруза и пшеница. Однако эффект севооборота наблюдается также, если травянистые культуры предшествуют широколистным растениям. Урожайность сои повысилась на 17% при севообороте с кукурузой по сравнению с продолжительным выращиванием сои. Авторы не смогли определить причину такой реакции, однако обнаружили, что чередование сои и кукурузы по-разному влияет на урожайность. Бэки и Брандт сообщали, что урожайность льна, выращенного после пшеницы выше, по сравнению с канолой, схожей масличной культурой. Подобная урожайность достигается благодаря меньшей, чем у канолы, подверженности заболеваниям.

Взаимодействия между сходными типами культур, травянистыми или широколистными, обычно не бывает, однако иногда случаются аномалии.

Чередование культур одного типа, таких как лен и канола или пшеница и ячмень, не является таким же благоприятным, как чередование разных типов. Сложность в чередовании широколистных культур обычно заключается в распространении заболеваний. Бэйли, подытоживая заболевания культур в сберегающем земледелии, предостерегала фермеров от последовательного выращивания широколистных культур, особенно масличных, из-за частых проблем с болезнями. Более того, масличные и бобовые культуры могут служить растениями-носителями патогенных микроорганизмов, таких как Sclerotinia. Если присутствуют подобные патогены, частоту посева широколистных культур необходимо сократить, чтобы избежать излишнего распространения заболевания. Она предложила чередовать травянистые культуры с бобовыми и масличными в долговременных севооборотах.

Альтернативные травянистые виды не влияют так сильно на урожайность, как чередование широколистных культур с травянистыми. Например, изучение севооборотов в Турции показало, что урожайность озимой пшеницы не отличается при чередовании пшеница-ячмень и продолжительном выращивании пшеницы. Напротив, чередование пшеницы и сафлора (Carthamus tinctorius L.) повышает урожайность пшеницы на 32%. Уровень почвенных вод и азота при посеве пшеницы были сходны в обоих севооборотах, предполагалось, что другие факторы повлияли на рост пшеницы после сафлора.

Травянистые культуры могут быть пагубными для будущего урожая. На Великих Равнинах США высаживание озимой пшеницы в остатки сорго (Sorghumbicolor) привело к снижению урожайности зерна на 15-20% по сравнению с пшеницей, высаженной в пожнивные остатки проса американского или после пара. Потери урожайности были отнесены к аллелопатическим составляющим, освободившимся после разложения остатков сорго. Сорго также стало пагубным для кукурузы в Гане (Schmidt and Frey, 1988). Если сравнивать кукурузу и сорго как культуры, предшествующие посеву кукурузы, после сорго урожайность кукурузы была ниже на 20-25%. Потери урожайности были отнесены к аллелопатии и связыванию азота после разложения остатков сорго.

Однако случаются аномалии в последовательностях травянистых культур, при которых урожайность увеличивается. Изучение долговременных севооборотов в засушливых районах США показало, что выращивание кукурузы вместо проса в севообороте улучшает эффективное преобразование воды в зерно зимней пшеницей. В севообороте пшеница – кукуруза – пар урожайность пшеницы составила 3010 кг/га при уровне использованной воды – 250 мм; в севообороте пшеница – просо – пар урожайность пшеницы составила 2060 кг/га при сходном потреблении воды (рис. 2). В севообороте с кукурузой урожайность пшеницы была на 46% выше при одинаковом потреблении воды, чем при чередовании с просом.

Рис. 2. Использование воды озимой пшеницей, выращенной с использованием двух севооборотов: пшеница — кукуруза — пар (W-C-F: синие треугольники и сплошная линия) и пшеница — просо — пар (W-M-F: красные треугольники и пунктир). Взяты средние данные за 3 года; исследование проводилось в округе Акрон, Колорадо, США.

Кукуруза также улучшила эффективное использование воды просом, однако если пар не присутствовал в севообороте. В течение шестилетнего периода, урожай проса составил 2420 кг/га при севообороте пшеница – кукуруза – просо. Однако при севообороте пшеница – просо урожайность проса была 2050 кг/га, ниже на 15%. Использование воды в этих севооборотах было сходным, но эффективность преобразования воды в зерно у проса была выше при чередовании с кукурузой, чем с пшеницей. Кроме того, влияние кукурузы на просо было связано с количеством осадков во время сезона роста; кукуруза увеличила урожайность благодаря повышенной эффективности проса использовать воду во влажные годы.

Удивительно, но включение пара в севооборот устранило влияние кукурузы на урожайность проса и эффективное использование воды. Урожайность проса не отличалась в севооборотах пшеница – кукуруза – просо – пар и пшеница – просо – пар с той же последовательностью, как указано выше, но включая пар. Более того, урожайность проса в этих севооборотах была сходной с урожайностью в чередовании пшеница – просо, на 15% меньше, чем при севообороте пшеница – кукуруза – просо.

Взаимосвязь между культурами может быть очень специфической, таким образом, главный принцип тяжело определить.

Влияние севооборота – повсеместный феномен при соответствующем чередовании культур. Главным принципом при планировании севооборотов является разнообразие культур, особенно травянистых и широколиственных. Однако довольно тяжело экстраполировать все комбинации чередования, типы почв и окружающей среды. Например, влияние сои на кукурузу было более ярко выраженным в низкоурожайных районах, что совершенно противоположно реакции зерновых на широколистные культуры, выражающейся более очевидно в высокоурожайных районах. Еще одну противоположность мы видим при взаимодействии кукурузы и озимой пшеницы или проса; пар нейтрализовал влияние кукурузы на просо, однако этого не произошло в случае с пшеницей. Глядя на эти противоположности, можно предположить, что сложная взаимосвязь культура – почва – окружающая среда может привести к аномалиям среди комбинаций севооборотов и неожиданному результату; севооборот может оказать специфическое влияние на культуру.

Рис. 3. Подсолнечник (S), кукуруза (С), просо (М) и озимая пшеница (W) — реакция на временной промежуток между посевами в округе Акрон, Колорадо, США; взяты средние показатели за 4 года. Звездочка указывает на то, как двухлетний или трехлетний промежуток между посевами отличается от четырехлетнего для каждой культуры. Данные, полученные из чередования культур для подсолнечника: S-M, W-S-Пар (F) и W-C-S-F; для кукурузы: М-С, W-C-F и W-C-M-F; для просо: W-M, W-M-F и W-C-M-F; для озимой пшеницы: W-F, W-C-F и W-C-M-F.

Длительность севооборота может влиять на взаимосвязь между культурами.

Урожайность зависит от частоты выращивания культуры. Эта концепция, известная как «промежуток между выращиванием культур», связывает урожайность с количеством лет между посевом одной и той же культуры; более длинные промежутки способствуют природному снижению популяций болезнетворных микробов в почве. Оптимальный интервал зависит от культуры и особенностей климата. Наилучший промежуток между посевом составил 2 года для кукурузы в Висконсине, 3 года в Миннесоте и 4 года в Небраске. В то время как наибольший интервал для выращивания сои был от 2 до 3 лет. Озимая пшеница была наиболее урожайной в Северо-Западном регионе при выращивании каждые 3 года.

Рис. 4. Влияние подсолнечника на урожайность озимой пшеницы при двух севооборотах: а) пшеница — подсолнечник — пар (W-S-F) и б) пшеница — кукуруза — подсолнечник — пар (W-C-S-F). Урожайность пшеницы в этих севооборотах сравнивалась с урожайностью пшеницы в севообороте пшеница — кукуруза — просо — пар. Данные собраны из исследования севооборотов в в округе Акрон, Колорадо, США. (Взято из источника: Anderson et al., 1999).

В сравнительном исследовании выращивания четырех культур в засушливых районах подсолнечник больше всего зависел от интервала между посевами с наибольшей урожайностью при выращивании каждые 4 года (рис. 3). При более частых посевах почвенные болезни, такие как Phoma macdonaldii, значительно уменьшали урожайность подсолнечника. Промежуток между выращиванием культур меньше влияет на травянистые культуры: урожайность кукурузы и пшеницы снизилась при выращивании каждые 2 года, а не 4, однако интервал не оказал влияния на просо (рис. 3). Эти данные подтверждают предположение Бейли (1996) о заболеваниях, которым подвергаются культуры при частом выращивании.

Планирование севооборотов с целью выбора оптимального промежутка посева может также повлиять на взаимосвязь между культурами; примером этого может служить исследование выращивания подсолнечника в засушливых районах. В севообороте пшеница – подсолнечник – пар урожайность пшеницы была ниже на 36%, однако при севообороте пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар – всего на 8%. Более того, при использовании севооборота пшеница – подсолнечник – пар наблюдалась тревожная тенденция: урожайность пшеницы сокращалась с течением времени от 81% в 1994 до 48% в 1999 году (рис. 4а), тогда как урожайность пшеницы в севообороте пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар оставалась выше 90% в течение пяти лет из шести. Урожаи пшеницы в 1995 и 1998 годах с чередованием пшеница – кукуруза – подсолнечник – пар отображают крайности в выпадении осадков – выше среднего в 1995 году и ниже среднего в 1998 году. Так или иначе, при севообороте пшеница – подсолнечник – пар урожайность сокращалась на 7% в год (г = 0,86) вне зависимости от уровня осадков. Нет четкого объяснения этой тенденции, однако удлинение севооборота путем добавления кукурузы усиливает негативное влияние подсолнечника на урожайность пшеницы.

Как показано на подсолнечнике, длительность севооборота изменяет воздействие севооборота. Выращивание культур может быть также улучшено с помощью выстраивания различных культур в последовательность из четырехзвеньев. Дебак и Хилари, испытывая севообороты различной длины в дождливом регионе на юго-западе Франции, обнаружили, что севооборот с четырьмя культурами является более продуктивным по сравнению с другими севооборотами. Бейли (1996) предложил баланс между двумя зерновыми культурами и двумя широколистными культурами для сведения к минимуму пагубного влияния болезней растений. Контроль над сорняками был улучшен при помощи чередования двух однолетних культур холодного периода и двух однолетних культур теплого периода; подобное решение способствовало природному уменьшению количества семян сорняков в почве, таким образом, сокращая густоту сорняков во время роста будущих культур. Матус и др. обнаружили, что связывание азота бобовыми было выше при использовании севооборотов с четырьмя культурами, чем других севооборотов.

Эти исследования предполагают, что планирование севооборота может дополнить его воздействие; большее разнообразие во взаимодействии культур с длительными севооборотами может значительно повысить урожайность. Райт обнаружил, что воздействие широколистных на зерновые распространялось на две зерновые культуры. Таким образом, если добиться положительного взаимодействия между несколькими культурами в севообороте, польза от него будет максимальной.

Разнообразие культур может помочь фермерам сгладить непостоянство в урожайности.

В неорошаемом земледелии постоянной проблемой для производителей является нерегулярное выпадение осадков и вытекающее отсюда непостоянство в урожайности. Использование различных культур в севооборотах может сгладить воздействие засухи на урожайность при помощи увеличения эффективности использования воды. Например, Драри и Тан отслеживали урожайность кукурузы более 35 лет на зависимость от севооборотов. По сравнению с продолжительным посевом урожайность кукурузы в севообороте была выше, непостоянство снизилось в два раза. Они отнесли эту реакцию к улучшенному росту корневой системы кукурузы. Захс и Лезоинг также заметили, что разнообразие в севооборотах повысило эффективность использования воды кукурузой в засушливые годы. Правен-Кумар и др. обнаружили, что просо американское имеет более высокие показатели урожайности в засушливые годы, потому что культура использует ограниченные запасы воды при расширенном севообороте более эффективно.

Разнообразие культур также стабилизирует урожайность на уровне севооборота. Смолик и др. выявили, что наименьшее колебание в урожайности наблюдалось в расширенных севооборотах. В регионе, где выращивают озимую пшеницу в севообороте пшеница – пар, непостоянство в урожайности снизилось на 15% при использовании расширенных севооборотов. Фермеры, выращивающие озимые зерновые культуры в Австралии, обнаружили, что использование широколистных культур в севооборотах не только увеличило производительность и прибыль ферм, но также повысило гибкость в управлении и стабильность доходов из-за расширенных источников дохода. Расширенные севообороты помогут фермерам снизить циклы «резкого подъема и спада», являющиеся привычными в засушливом климате.

(Опубликовано в №1, 2007 г.)

_