Возможны ли системы No-Till без гербицидов? Результаты и выводы
395 зарегистрированных систем земледелия различались по частоте обработки почвы, частоте отвальной вспашке и интенсивности использования гербицидов. Факторы, влияющие на частоту и интенсивность, включали в себя культуры, регионы и происхождение системы земледелия. Обработка почвы чаще всего производилась перед посевом яровых культур и реже перед кормовыми культурами (~0), а также промежуточным посевом масличных культур с бобовыми. Аналогичные тенденции наблюдались и в отношении интенсивности использования гербицидов: самый высокий индекс частоты обработки гербицидами был у сахарной свеклы (HTFI = 2,61), а самый низкий - у кормовых культур (0,52).
Интересно, что происхождение системы земледелия также повлияло на обработку почвы и применение гербицидов. Обработка почвы является наиболее распространенной операцией в системах земледелия, основанных на традиционных методах, в то время как инновационные системы, разработанные учеными и фермерскими семинарами, склонны к использованию более современных методов, таких как минимальная обработка почвы или безотходное земледелие.
Отвальная вспашка также является распространенным методом обработки почвы в традиционных системах земледелия, в то время как инновационные системы склонны к использованию более экологически чистых методов обработки почвы, таких как мульчирование и поверхностная обработка.
Относительно применению гербицидов наибольшее использование отмечается в системах, которые были зарегистрированы в сети биоконтроля (HFTI = 1,84) или обследованы на фермерских хозяйствах, в то время как более инновационные системы земледелия склонны к использованию менее токсичных и более экологичных методов борьбы с сорными растениями и вредителями.
Какие методы возделывания связаны с низкой или нулевой обработкой почвы?
Было обнаружено, что частота обработки почвы интенсивность использования гербицидов были отрицательно корреляционны. Системы no-till (без обработки почвы) и системы без гербицидов отличались друг от друга в этом отношении. Системы без гербицидов были охарактеризованы более высокой частотой обработки почвы, чем системы с гербицидами, и наоборот, системы no-till использовали гербициды с более высокой интенсивностью. Не было систем, которые были бы одновременно свободными от обработки почвы и свободными от гербицидов.
Также была проведена типология систем по частоте обработке почвы. Она выделила шесть типов, которые различались по эффективности гербицидов на однодольных и двудольных сорняках, частоте механической прополки бороной, а такое частоте кукурузы и озимых культур в севообороте. Было обнаружено, что наименьшая частота обработки почвы ассоциировалась с наиболее частыми и эффективными гербицидами.
В годовом масштабе было выделено 45 типов систем земледелия, частота обработки которых варьировалась от 0 операций в год до 9. Оказалось, что частота обработок почвы была связана в основном с применением гербицидов, затем с ротацией и разбрасыванием навоза. Наличие покровной культуры в период пара и нехимические деструктивные операции слабо или совсем не коррелировали с частотой обработки.
Наиболее часто встречающийся тип системы земледелия без обработки почвы перед посевом был основан на:
- гербициды, направленные на двудольные сорняки, часто применяемые в ротации (более 1,33 применения в год в среднем за ротацию), что привело к показателю HTFI, превышающему 1,97;
- редкое измельчение растительных остатков во время пара (<0,49 операций в год в среднем за ротацию);
- малое количество или полное отсутствие операций прикатывания, особенно перед летними культурами, такими как подсолнечник;
- посев пшеницы рядами, а не на поверхности почвы (т.е. на глубину не менее 1 см).
Итак, есть 2 стратегии земледелия для уменьшения потери урожая. Первая стратегия (тип С) включает использование гербицидов с высокой интенсивностью ( в среднем 2,38 раза за ротацию), что приводит к низким потерям урожая (в среднем 20% за ротацию). Вторая стратегия (тип В) включает использование необычных культур, эстафетных посевов и многолетних посевов, что не требует использование гербицидов (средняя интенсивность использования составляет 0,16 раза за ротацию), но также приводит к низким потерям урожая (ниже чем при стратегии типа С).
Влияние интенсивности обработки почвы на потери урожая, вызванные сорняками
Были исследованы различные стратегии земледелия в рамках севооборотов, и две из них выделялись особенно сильно. Первая стратегия включала частые обработки почвы и интенсивное применение гербицидов, что приводило к высокой интенсивности использования гербицидов, но потери урожая были ниже, чем в среднем по набору данных. Вторая стратегия не требовала гербицидов и состояла из необычных культур, эстафетных посевов или многолетних посевов. Эта стратегия также давала низкие потери урожая. Была обнаружена корреляция между потерями урожая и частотой обработки почвы и интенсивностью применения гербицидов, но она объясняла всего 1% изменчивости потерь урожая. Те же тенденции были выявлены при рассмотрении только поверхностной обработки почвы или только отвальной вспашки.
Что происходит при отказе от обработки почвы?
Воздействие сорняков на растениеводство и увеличение биоразнообразия
Без обработки почвы в земледелии засоренность полей (биомасса сорняков в товарной культуре) увеличивается более чем в три раза ( с 0,51 до 1,8 т/га), а потери урожая зерна из-за сорняков увеличивается на 27-45% (р-0,05). Биомасса сорняков и потери урожая увеличиваются немного больше, если исключаются гербициды без компенсации ( до 2,1 т/га и 49%, соответственно).
Удаление обработки почвы также увеличивает другие воздействия сорняков, т.е загрязнение урожая, сложность уборки или предложение пищи карабидам на основе сорняков. Предложение сорняков для птиц и опылителей увеличилось примерно в два раза. И наоборот, видовое богатство, засоренность полей и потенциальный урожай (при отсутствии сорняков) в среднем изменялись незначительно.
Частота обработки почвы оказывает значительное влияние на потери урожая из-за увеличения количества сорняков в немодифицированных системах земледелия. Разница в потере урожая между беспахотной и немодифицированной системами увеличивается с увеличением общего количества операций по обработке почвы в год, при этой корреляция с частотой отвальной вспашки незначительна. Однако, при заданной частоте начальной обработки почвы наблюдается большая вариабельность в изменении потерь урожая.
Какие виды и признаки сорняков выбираются?
Исследование показало, что влияние подавления обработки почвы на плотность сорняков зависит от вида сорняка. Примерно у половины видов, таких как Амарант запрокинутый или Осот шероховатый, плотность растений увеличивалась в большинстве ситуаций (т.е. год × система земледелия × повторение погоды). Шесть из 30 видов в большинстве ситуаций уменьшались, в то время как для остальных видов тенденция не прослеживалась
Виды сорняков можно разделить на пять групп по их реакции на подавление обработки почвы. Группа А состояла только из видов, плотность которых увеличивалась в большинстве ситуаций: Амарант запрокинутый, Марь белая, Росичка кроваво-красная, Паслен черный и Осот шероховатый. Эта группа становилась более многочисленной при отсутствии обработки почвы в системах земледелия с частой летней обработкой почвы, особенно при использовании силовой бороны, при высокой средней и максимальной глубине обработки почвы в ротации и в системах с небольшим количеством или отсутствием эффективных гербицидов большого спектра действия. Эти виды сорняков появлялись в мае и июне и нуждались в более теплых условиях для начала фотосинтеза. Эти особенности типичны для летних однолетних растений.
Виды группы C включали двудольные сорняки, такие как Polygonum species (Горец), и злаковые сорняки, такие как Ежовник обыкновенный и Просо обыкновенное. В отличие от группы A, эти виды благоприятствуют системами земледелия с частыми озимыми культурами и редкими яровыми культурами, кроме случаев, когда пшенице предшествовала яровая культура. Этим видам также отдавалось предпочтение, если первая обработка почвы в залежный период и/или отвальная вспашка в регистрируемых системах происходила вскоре после уборки предыдущей культуры, а летняя вспашка перед пшеницей была частой, при редком орошении и/или низкой норме полива, при частом применении псевдо корневых гербицидов, и в системах, часто переключающихся между годами с внесением и без внесения навоза. Виды группы C имеют толстые оболочки семян, высокие растения и листья, сконцентрированные к верхушке растения. Эти виды обычно появляются в апреле.
Группа E отличалась от группы C как по системам земледелия, так и по видовым признакам, что привело к увеличению плотности растений, включая Мятлик однолетний. Некоторые виды, такие как Пастушья сумка обыкновенная, Трехреберник непахучий и Крестовник обыкновенный, благоприятствовали подавлению обработки почвы.
Группа B включала как увеличивающиеся, так и уменьшающиеся виды, чье увеличение было сильнее при использовании многих яровых культур, особенно перед пшеницей и с редкой летней вспашкой. Это были зимние однолетники с высоким коэффициентом биомассы семян и высокой удельной длиной корней, но без реакции на затенение в плане удельной площади листьев и коэффициента биомассы ширины растений.
Наконец, группа D была противопоставлена группе а, как по системам, так и по признаку, который благоприятствовал им при удалении обработки почвы. Эти виды, например, Овес пустой или Подмаренник цепкий в целом стали менее обильными после обработки почвы. Период их появления не включал май и июнь, а их фотосинтез начинался при более низких температурах.
Как бороться с сорняками без обработки почвы?
Какие системы наиболее устойчивы к подавлению обработки почвы?
Для оценки чувствительности урожайности к подавлению обработки почвы был проведен анализ увеличения потерь урожая в симуляциях без обработки почвы, сравнивая с обработкой почвы в зависимости от методов управления. Результаты показали, что ротация имеет решающее значение, а наиболее чувствительные системы характеризуются длительными посевами или ранним посевом яровых культур. Системы с частыми покровными культурами или летними культурами были менее чувствительны к подавлению обработки почвы. Эффективные гербицидные программы, меняющиеся в разные годы, также снижают чувствительность к подавлению обработки почвы. Сочетание гербицидов и обработки почвы может быть эффективно для борьбы с сорняками. Однако стойкие гербициды, такие как псевдокорневые гербициды, работают лучше, если за ними не следует обработка почвы. Разбрасывание навоза имеет благотворное влияние на снижение контакта поверхностных семян с почвой, что уменьшает семенной банк сорняков, и это влияние длится дольше при удалении обработки почвы. Орошение также менее чувствительно к подавлению обработки почвы.
Какие системы нулевой обработки ограничивают потери урожая зерна из-за сорняков?
Урожай зерна в зарегистрированных системах нулевой обработки почвы и системах без обработки почвы зависит от гербицидов(частичный R2 = 0,39) и севооборота (R2 = 0,12), включая покровные культуры во время сезонного пара (R2 = 0,14). Остальные факторы, такие как механическая прополка, посев, уборка урожая и скашивание/измельчение/подрезание, имеют меньшее влияние, а навоз, прикатывание и орошение практически не оказывают влияния на урожай зерна.
Стратегия А с использованием гербицидов, измельчения растительных остатков во время пара, высокой плотности посева и севооборота с покровными культурами показала наилучшие результаты в борьбе с сорняками.
Стратегия В была совершенно иной, она включала только системы из серии "No-till". Она состояла из монокультуры летних культур, в основном позднего посева и поздней уборки кукурузы (с глифосат - устойчивой кукурузой в 50% систем) перед покровной культурой во время пара. Частота применения гербицидов и HTFI были ниже, но опрыскивание должно было проводиться в течении первого месяца и после посева. Очень высокий уровень орошения был необходим, начиная с первых 6 недель посева, и периодическое измельчение растительных остатков во время пара.
Стратегия С также включала только системы из серии "No-till". Она включает малое количество гербицидов, продолжительные покровные культуры (не менее 2х месяцев), своевременное измельчение остатков перед посевом подсолнечника и частое внесение навоза. Последние добавляли небольшой слой органического вещества поверх семян сорняков, находящихся на поверхности почвы, тем самым улучшая их впитываемость и прорастание во время пара, что привело к уменьшению банка семян сорняков при посеве товарной культуры.
Как совместить низкую обработку почвы и низкое содержание гербицидов с низкой потерей урожая?
Ключевые рычаги управления
Мы проанализировали методы управления no-till системами, направленные на снижение потерь урожая, интенсивности использования гербицидов и частоты обработки почвы. Из результатов нашего анализы выяснилось, что ротация культур была наиболее важным фактором. Чем больше различных культур и сортов выращивалось с течением времени, тем лучше были показатели. Длинные севообороты чередующие озимые и/или многолетние культуры оказались наилучшими. Ранний посев как озимых, так и яровых культур был оптимальным. Кроме того, пшеницу следует сеять узкими рядами.
Операции по уничтожению сорняков имели решающее значение. Целевые показатели снижались, в частности механическая прополка поля более эффективна, чем прополка только междурядий, но слишком частая прополка имеет обратный эффект, поскольку она может стимулировать появление новых всходов сорняков. Задержка скашивания и ботвования, чтобы сорняки успели вырасти выше высоты среза, было гораздо важнее, чем действия в каждой культуре. Частое измельчение растительных остатков в период пара было полезным. Частое протыкание также было хорошей идеей.
Орошение, особенно кукурузы, было контрпродуктивным и лучше всего проводить как можно позже после посева, чтобы ограничить появление сорняков. Внесение навоза (без сорняков) увеличивало целевые показатели, особенно перед пшеницей, потому что за внесение навоза обычно рано или поздно следует обработка почвы.
Среди методов с сокращением обработки почвы гербицидом возможны методы, недоступные в системах no-till без гербицидов. Мы обнаружили, что некоторые характеристики гербицидных программ, помимо количества операций и дозировки, также способствовали снижаю трех целевым показателям. Аналогичным образом, хорошо подобранные варианты обработки почвы способствовали снижению целевых показателей (например, обработка почвы как можно ближе к посеву).
Как сочетать рычаги управления?
Эффекты изменения переменных системы земледелия не всегда были однозначными, т.е. увеличение данной переменной могло привести как к увеличению, так и к уменьшению целевых показателей в зависимости от других переменных системы земледелия. Чтобы выявить лучшие системы земледелия, были проанализированы 4 стратегии с низкой интенсивностью обработки почвы и использованием гербицидов. Стратегия S1 имела наименьшие потери урожая (27%), так как орошение, внесение навоза и гербициды использовались не в большом количестве, а яровые культуры сеялись поздно. Стратегия S2 имела некоторые сходства, но привела к более чем двукратному снижению урожая (59%). Основные различия касались орошения, с высокой частотой и большими объемами. Кроме того, покровные культуры длились менее 11,3 месяцев, а годы с нулевой обработкой почвы часто чередовались с годами с пропашными культурами. Две другие стратегии были очень разными, с более ранним посевом яровых культур. Акцент в стратегии S3 был сделан на позднем посеве и поздней уборке озимых культур с хорошо подобранными гербицидами. Несмотря на то, что она допускала некоторую обработку почвы и применение гербицидов, потери урожая зерна были намного выше, чем у стратегии S4 (59 против 41%), которая не использовала ни обработку почвы, ни гербициды. Последняя состояла из короткой ротации с большим количеством ранних озимых культур, но без покровных культур или двойного посева.
Направление для будущих исследований и выводы
Используемый здесь план моделирования был изменен, чтобы распутать многочисленные взаимосвязи между методами управления и разработать системы нулевой обработки почвы (и без гербицидов) для конкретных условий производства и ограничений фермеров. Для начала нам необходимо изучить контрастные системы нулевой обработки почвы, практикуемые фермерами в разных педоклиматах, и добавить их в нашу базу данных для моделирования. Это позволит выявить более общие и надежные правила для разработки устойчивых систем без гербицидов no-till. Затем эти правила могут быть использованы на семинарах с участием фермеров, направленных на разработку систем, адаптированных к их конкретным условиям. Мы уже использовали этот подход в прошлом для устойчивых систем с низким содержанием гербицидов.
Наше исследование показало, что удаление двух основных рычагов борьбы с сорняками без компенсации является катастрофическим. Если мы это сделаем, системы должны быть полностью перепроектированны, поскольку нет шансов, что изменение систем земледелия с помощью подхода замещения будут успешными, Наши результаты показали, что для достижения святого Грааля - систем нулевой обработки почвы без гербицидов, обеспечивающих достаточное количество продуктов питания при ограниченных потерях урожая, системы должны быть глубоко пепроектированы, возможно, выходя за рамки того, что на самом деле известно, практикуется или осуществимо. Это также потребует значительных усилий в области селекции с/х культур в частности, необходимо вывести новые смеси видовых покровных культур, которые способны побеждать сорняки, легче уничтожаться без глифосата и при этом ограничивать затраты или ущерб для окружающей среды.
Источники, использованные при написании материала и на статьи исследований:
- The Supplementary Material for this article can be found online at:
- Affholder, F., Scopel, E., Madeira Neto, J., and Capillon, A. (2003). Diagnosis of the productivity gap using a crop model. Methodology and case study of small-scale maize production in central Brazil. Agronomie 23, 305–325. doi: 10.1051/agro:2003004
- Affholder, F., Poeydebat, C., Corbeels, M., Scopel, E., and Tittonell, P. (2013). The yield gap of major food crops in family agriculture in the tropics: assessment and analysis through field surveys and modelling. Field Crops Res. 143, 106–118. doi: 10.1016/j.fcr.2012.10.021
- Colbach, N., Chauvel, B., Messéan, A., Villerd, J., and Bockstaller, C. (2020a). Feeding pollinators from weeds could promote pollen allergy. A simulation study. Ecol. Indic. 117, 106635. doi: 10.1016/j.ecolind.2020.106635
- Colbach, N. (2022). “Modelling the effects of cropping systems on weed dynamics: the trade-off between process analysis and decision support,” in Advances in Integrated Weed Management, ed P. Kudsk (Cambridge: Burleigh Dodds Science Publishing). doi: 10.19103/AS.2021.0098.07
- Derrouch, D., Chauvel, B. S. C., and Dessaint, F. (2021). Functional shifts in weed community composition following adoption of conservation agriculture. Weed Res. in press. doi: 10.1111/wre.12517
- frontiersin.org/articles/10.3389/fagro.2022.823069/full#h11
Нет комментариев