СОРНЯКИ И ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВЫ
В этой статье магазин средств защиты растений расскажет вам о возможности борьбы с сорняками при помощи удобрений, а не гербицидов.
Управление сорняками с помощью удобрений
Усиленное потребление сорняками и культурами фосфора, калия и особенно натрия может способствовать повышенному кущению, ветвлению стебля и увеличению площади листовой поверхности. Многие виды сорняков весьма эффективно улавливают и поглощают питательные вещества из вносимых удобрений.
Таким образом, повышение плодородия почвы может изменить соотношение растительного покрова в смесях «сорняк-культура» в пользу сорняка, что и проиллюстрировано на рисунке 1. Внесение азотного удобрения увеличило площадь зеленой поверхности ячменя (листья и стебли) на 10%, а у сорняка площадь поверхности, поглощающей свет, увеличилась на 706%! Большое увеличение площади поверхности сорняка было особенно заметным в верхней части растительного покрова, где поглощается большая часть фотосинтетической активной радиации. В этом эксперименте внесение азота существенно увеличило способность сорняка затенять культуру.
Таким образом, внесение удобрений может отрицательно влиять на урожайность культур, поскольку сорняки становятся выше и имеют большую площадь листьев, чем культура.
В Орегоне Эпплбай, Олсон и Солберт (Appleby, Olson & Colbert, 1976) установили, что урожайность пшеницы не увеличивалась или даже немного снижалась при высокой плотности плевела многоцветкового (Lolium multiforum). На севере Калифорнии Карлсон и Хилл (Carlson & Hill, 1985) зафиксировали, что внесение азотного удобрения на участок пшеницы, засоренной овсюгом (Avena fatua), приводило к увеличению урожайности культуры только тогда, когда плотность A. fatua была меньше 1,6% по отношению к общей плотности травостоя сорняка и культуры.
При высокой плотности травостоя сорняка внесение азота увеличивало выброс метелок A. fatua на 140%, что снижало урожайность пшеницы на 49% по сравнению с неудобренными участками.
Несмотря на то что многие виды сорняков лучше реагируют на удобрения, чем культуры, это явление не универсально. Толленар с соавторами (Tollenar et аі, 1994) установил, что увеличение количества азота в удобрении, внесенном под кукурузу в условиях высокой засоренности, привело к уменьшению биомассы сорняков и увеличению урожайности кукурузы. Когда сорнякам (в основном щирица запрокинутая [Amarantltus retrofexus], марь белая [Chenopodium album], щетинник зеленый [Setaria viridis]) позволяли формироваться до стадии появления 3-4 листа кукурузы, конкуренция со стороны сорняков приводила к уменьшению урожайности культуры в среднем на 31% при низких нормах внесения азота (10-80 кг/га) и только на 13% - при высоких нормах его внесения (130-200 кг/га). Мак Кензи (McKenzie, 1996) установил, что увеличение количества азота, вносимого на пастбище (многолетний плевел) в ЮАР, приводило к уменьшению не только плотности побегов сорняков, но и относительной частоты их встречаемости. В конце лета, когда наблюдался самый активный рост сорняков, они встречались на 82% выделенных учетных площадей на участке, где на гектар вносили 120 кг азота в год, а на участке, где вносили больше 360 кг/га в год, - только на 45% учетных площадей. Мак Кензи (McKenzie, 1996) объяснил это затенением сорняков большой площадью листьев многолетнего плевела при высоких нормах внесения азота.
То, что внесение удобрений может сочетаться с управлением сорняками, является привлекательной возможностью. Однако, учитывая, что увеличение доступности питательных веществ может усугубить, а не уменьшить проблемы с сорняками, нужно научиться предвидеть влияние повышения плодородия на взаимоотношения между сорняком и культурой.
Моделирование не является одним из потенциально эффективных подходов к решению этого вопроса. Оно может использоваться для прогноза продуктивности видов растений в смеси, основываясь на знании реакции отдельных видов в чистых посевах на изменение условий окружающей среды. С помощью моделей также можно проверять выдвигаемые гипотезы перед закладкой полевых опытов.
Кропфф и его сотрудники изучали конкуренцию между сорняками и культурой с использованием модели INTERCOM, содержащей информацию о внесении и потреблении питательных веществ, улавливании света, интенсивности фотосинтеза, росте корней и побегов (Kropff & van Laar, 1993). В условиях наличия большого количества питательных веществ с помощью этой модели было установлено, что рост в высоту и площадь листьев являются критическими факторами, определяющими результат конкуренции между такими видами, как сахарная свекла и марь белая [Chenopodium album] (Kropff et al., 1993). В условиях наличия большого количества доступных питательных веществ посредством данной модели было спрогнозировано, что конкурентное превосходство одних видов над другим и обусловливают морфологические характеристики, обеспечивающие скорость улавливания питательных веществ (например, более длинная и густая корневая система) и физиологические характеристики, способствующие более быстрому производству биомассы на единицу поглощенного питательного вещества (например, фотосинтетическое поглощение С по пути С4, а не по пути С3) (Kropff, 1993). Похожее влияние было спрогнозировано с помощью модели ALLOCATE, разработанной Тилманом (Tilman, 1988). INTERCOM, ALLOCATE и другие модели могут быть полезными инструментами для анализа взаимоотношений ряда сочетаний сорняков и культур , выращиваемых в разных почвенных условиях, а также для прогноза морфологических и физиологических характеристик, которые могут привести к появлению у культуры способности выдерживать или подавлять сорняки.
О значимости моделей при разработке стратегий управления сорняками свидетельствует также информация о потенциальном влиянии пространственных и временных изменений в наличии питательных веществ, качественных различий между разными источниками питательных веществ.
Пространственные изменения наличия питательных веществ
(Преимущества ленточного внесения удобрений)
Внесение удобрений ленточным способом близко к рядам культуры улучшает использование ею питательных веществ, при этом доступность питательных веществ для сорняков, не растущих вблизи полос внесенного удобрения, уменьшается. Ленточное внесение удобрений в ряды таких культур, как фасоль, соя, арахис, пшеница, люцерна и рис, приводило не только к увеличению урожайности культур по сравнению с внесением их вразброс, но и к снижению плотности и биомассы сорняков (DiTomaso, 1995). Преимущества такого способа внесения удобрений обычно более ощутимы, когда питательные вещества вносятся глубоко в почву (5-7 см ниже уровня заделки семян культуры), а не остаются на ее поверхности (DiTomaso, 1995). Возможно, это объясняется тем, что семена культуры прорастают из более глубокого горизонта почвы, чем сорняки. Успех ленточного внесения удобрений в качестве стратегии управления сорняками может зависеть от естественного уровня плодородия почвы. В частности, полевыми экспериментами, которые проводились в течение трех лет на двух типах почвы в Дании (Rasmussen, Rasmussen & Petersen, 1996), было установлено, что ленточное внесение азота на 5 см ниже глубины заделки семян ярового ячменя привело к уменьшению биомассы сорняков в среднем на 55% и увеличению урожайности зерна ячменя в среднем на 28% по сравнению с внесением удобрений вразброс. Сравнение результатов, полученных на двух типах почвы, показало, что уменьшение роста сорняков и повышение урожайности культуры благодаря ленточному внесению удобрений было больше на малоплодородном крупнозернистом песке, чем на более плодородном песчаном суглинке.
Исследователи предположили, что сорняки будут больше подавлены в условиях недостаточного плодородия поверхностного слоя почвы, так как это приведет к тому, что сорняки будут испытывать большой дефицит питательных веществ. Особое внимание к подавлению сорняков возле лент удобрений также может быть важной составляющей успеха при использовании этого подхода.
Временные изменения в наличии питательных веществ
Поскольку разные виды сорняков и культур могут существенно отличаться по способности поглощать питательные вещества на разных стадиях роста, определение времени внесения удобрения может сильно влиять на продуктивность и культуры, и сорняков. Если пик поглощения питательных веществ культурой приходится на период после максимального поглощения питательных веществ сорняком, отсроченное внесение удобрения может привести к тому, что сорняк будет испытывать дефицит питательных веществ в критически важные для него начальные фазы роста. Эта гипотеза была проверена Алкампером, Пессиосом и Лонгом (Alkamper, Pessios & Long, 1979), которые провели опыты по выращиванию кукурузы с горчицей полевой (Sinapis arvensis) (Brassioa kaber) или марью белой (Chenopodium album) в горшках. Они вносили разные нормы NPK удобрения либо разово при севе, либо одну половину общей нормы вносили при севе, а другую - при появлении початка кукурузы. Отсроченное внесение удобрения привело к увеличению биомассы культуры на 70% и уменьшению биомассы сорняка на 50% по сравнению с ранним внесением такого же общего количества удобрения. Отсроченное внесение удобрения также привело к повышению урожайности риса в полевых опытах, в которых эта культура была сильно засорена куриным просом (Echinochloa crus-galli) (Smith & Shaw, 1966). Внесение азота в два приема - через 8 и через 12 недель после появления культуры на поверхности привело к увеличению урожайности риса на 30-80% по сравнению с ранее используемой схемой внесения - через 3 и через 8 недель после всходов. И хотя количество биомассы сорняка в разных вариантах опыта не было зафиксировано, полученное увеличение урожайности при отсроченном внесении удобрения было связано с уменьшением конкуренции со стороны сорняка.
Реакция культуры и сорняка на разное время внесения азота определялась в опытах, проведенных Ангонином, Коссанелем и Мейнардом (Angonin, Caussanel & Meynard, 1996) с озимой пшеницей и однолетним двудольным сорняком вероникой плющелистной (Veronica hederifolia). Сравнивалось влияние раннего (в фазе кущения озимой пшеницы) и позднего (выход в трубку) внесения азота в норме 60 кг/га. При разной плотности сорняка его биомасса была более чем в два раза больше при раннем, чем при позднем внесении азота. Сорняк не влиял на потребление азота и урожайность пшеницы, когда удобрение вносили в фазе выхода в трубку, но потребление азота и урожайность пшеницы существенно снижались, когда удобрение вносили в фазе кущения.
Исследователи отметили, что из-за низкой высоты и относительно раннего роста и развития основную конкуренцию вероника плющелистная (V. hederifolia) составляет в начале вегетационного периода. Более позднее внесение азота может уменьшить отрицательное влияние вероники плющелистной (V. hederifolia) на урожайность пшеницы за счет благоприятного влияния больше на культуру, чем на сорняк. Если сорняки более синхронны с культурами в пике потребления питательных веществ, отсроченное внесение удобрений может не дать никаких преимуществ относительно подавления сорняка и повышения урожайности культуры.
В полевых опытах с озимой пшеницей, засоренной озимым однолетним злаковым сорняком - костром кровельным (Bromus tectorum), Болл, Высоцкий и Частейн (Ball, Wysocki & Chastain, 1996) установили, что отсроченное внесение азотного удобрения до весны никак не влияло либо оказывало стимулирующее действие на формирование биомассы сорняка и никак не влияло или отрицательно сказывалось на урожайности пшеницы по сравнению с внесением азота при севе. Азотное удобрение повысило урожайность пшеницы, не увеличивая биомассу костра кровельного (B. tectorum),только тогда, когда его вносили в период пара при выращивании предшествующей культуры. Подобный результат наблюдал и Андерсон (Anderson, 1991), он объяснил это двумя причинами: движением азота из удобрения в нижние слои почвы перед началом роста культуры и сорняка, а также разницей в формировании и развитии их корневой системы. Сорняк с неглубоким проникновением корней в почву не мог извлекать азотные удобрения из такой большой глубины, в то время как культура с глубокой корневой системой получала доступ к источнику питательных веществ. Болл, Высоцкий и Частейн (Ball, Wysocki & Chastain, 1996) пришли к выводу, что внесение азотных удобрений перед посевом может ограничить рост костра кровельного (B. tectorum) и благоприятно влиять на культуру, но при этом может увеличиться вынос азота и загрязнение воды. Следовательно, требуются другие подходы к управлению плодородием почвы и численностью костра кровельною (B. tectorum) в озимой пшенице.
Влияние формы удобрения
Форма питательных веществ в минеральных удобрениях может по-разному влиять на продуктивность культуры и сорняка. Это положение хорошо иллюстрируют результаты исследований Тейкера, Хоэльзера и Либля (Teyker, Hoelzer & Liebl, 1991), которые удобряли кукурузу, засоренную щирицей запрокинутой (Amaranthus retrofexus), нитратным и аммонийным источниками азота. Форма азота не влияла на вес кукурузы в фазе всходов (рис. 2 а), но существенно влияла на сорняк. Использование аммония (с добавлением ингибитора нитрификации) уменьшило массу всходов щирицы запрокинутой на 75% по сравнению с нитратным азотом (рис. 2 а, b). И хотя эти исследователи не изучали влияние различных форм синтетического азота на конкурентные взаимоотношения между культурой и сорняком и не сравнивали рост этих двух видов в течении такого же временного интервала, полученные результаты говорят о том, что аммонийный азот может сильно увеличить способность кукурузы подавлять рост щирицы запрокинутой (Amaranthus retrofexus).
Разница в формах синтетического азота может также влиять на видовой состав сообщества сорняков. Писек и Лепс (Pysek & Leps, 1991) сравнили видовой состав флоры сорняков на полях Чехии, где выращивался ячмень в течение семи лет и вносились удобрения - сульфат аммония (СА), кальцийаммоний нитрат (КАН) и смесь мочевины с аммиачной селитрой (АС). Общее количество азота, внесенного с разными удобрениями, было равным, но наблюдалась ощутимая разница между вариантами удобрений относительно изобилия разных видов сорняков.
Пикульник обыкновенный (Galeopsis tetrahit), вероника персидская (Veronica persica), ярутка полевая (Thlapsi arvense) и звездчатка средняя (Stellaria media) были в изобилии на полях, удобренных СА и КАН, но не были обнаружены на нолях, обработанных СА. И наоборот, метлица обыкновенная (Apera spicavettti) наблюдалась в вариантах удобрения СА или КАН менее чем на 8% исследуемых участков, а в варианте, где вносили аммиачную селитру (АС), - на 40% участков. И хотя большинство видов сорняков были в изобилии представлены на участках, обработанных АС и КАН, встречаемость Fallopia cottvulvus в варианте с КАН составила 79% квадратов, а в варианте с АС - только 41%. Меньше всего сорняков было на участках, обработанных АС, а больше всего - на участках, удобренных КАН, почти столько же было сорняков и в варианте, где вносили СА.
Статистическая обработка результатов показала, что внесение удобрения напрямую влияло на сообщество сорняков и косвенно - на производство растительного покрова культуры и последующую конкуренцию с ней. Несмотря на то что в этом эксперименте не отслеживали почвенные условия, различные источники удобрения могли привести к контрастным уровням pH почвы и разнице в наличии неазотных питательных веществ. Для понимания механизмов, с помощью которых различные удобрения могут влиять на состав сообщества сорняков, было бы полезно провести дополнительные эксперименты, направленные на изучение влияния различных удобрений на химические свойства почвы.
Межвидовая конкуренция у бобовых
Многие бобовые культуры способны удовлетворить значительную часть своих потребностей в азоте, используя атмосферный азот, который фиксируется симбиотическими бактериями, обитающими на корнях этих растений. Большинство небобовых видов не могут использовать азот из атмосферного воздуха, поэтому они потребляют его только из содержащегося в почве доступною азота. Ввиду этой физиологической особенности бобовые культуры могут конкурировать с небобовыми и давать хорошую урожайность в условиях наличия в почве небольшого количества доступного азота. В опытах, в ходе которых путем внесения аммиачной селитры добивались высокого содержания азота в почве, растения плевела жесткого (Loliurn rigidum) были выше клевера, затеняли и подавляли его рост. И наоборот, клевер рос мощно и превосходил растительный покров злакового вида в условиях наличия небольшого количества доступного азота в почве (Stern & Donald, 1962). Подобным образом горох, выращиваемый с горчицей белой (Brassica hirta), производил на 185% больше биомассы, когда сульфат аммония не вносили, чем когда его вносили, а горчица белая (В. hirta), наоборот, давала на 69% биомассы меньше без сульфата аммония, чем при его внесении (рис. 3 b). Эти примеры свидетельствуют о непосредственном влиянии уровня наличия доступного азота в почве на рост культуры и сорняка, а также о косвенном влиянии этого фактора на межвидовую конкуренцию. При сравнении показателей биомассы, полученной в чистых посевах и смесях, было установлено, что в случае наличия в почве небольшого количества доступного азота горох подавляет рост горчицы белой (В. hirta)(eё масса снизилась на 54%), но не оказывает никакого влияния на рост сорняка в условиях наличия в почве большого количества доступного азота (рис. 3 b). Согласно данным этих исследований, минимизация уровня содержания в почве неорганического азота может быть одним из путей увеличения продуктивности определенных бобовых культур, растущих вместе с азотолюбивым сорняком, что подвергает сорняки дополнительному стрессу. Этот подход не будет эффективным для сортов и видов бобовых, которые фиксируют мало атмосферного азота и урожайность которых сильно зависит от уровня содержания в почве неорганического азота. В качестве примера можно привести скороспелые сорта фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris) (Laing, Jones & Davis, 1984). Чтобы определить, какие бобовые культуры и сорняки могут быть наиболее управляемы за счет изменения уровня содержания в почве азота, потребуется инокуляция бобовых культур соответствующими штаммами бактериальных симбионтов, а также измерение роста культуры и сорняков при различных уровнях содержания азота в почве. Тилман (Tilman, 1988) прогнозирует, что конкуренцию между видами растений выиграет тот вид, который лучше растет при наличии наименьшего количества доступных питательных веществ в почве. Те бобовые культуры, которые лучше способны поддерживать рост при наименьших уровнях доступного азота в почве, должны быть наиболее эффективными в подавлении роста азотолюбивых видов сорняков. Самсон (Samson, 1991) предположил, что этот подход был эффективен для управления сорняками в технологиях выращивания сои, и отметил, что озимая рожь и другие культуры, предшествующие сои, могли использоваться для временной иммобилизации в почве доступного азота.