Борьба с сорняками: уроки прошлого и возможности будущего
Борьба с сорняками в австралийском земледелии за последние три десятилетия пережила революцию, превратившись из зависимости от культивирования с сопутствующими проблемами деградации почв в зависимость от гербицидов в системах природоохранного сельского хозяйства.
Влияние сорняков на урожайность сельскохозяйственных культур было проблемой с тех пор, как возникло растениеводство. Первоначально она решалась путем перемещения сельского хозяйства с места на место, а затем, по мере появления орудий труда, путем развития методов уничтожения сорняков. Некоторые сорняки, особенно хондрилла обыкновенная, легко адаптировались к этому, и поля были преобразованы в пастбища на некоторое время, чтобы позволить домашнему скоту вытаптывать сорняки — это послужило стимулом для травопольной системы земледелия в 1930-х годах. Сбор семян сорняков был частью уборочной операции в течение многих лет и задолго до внедрения современных технологий борьбы с сорняками. Уборочная техника, применявшаяся в этот период, позволяла собирать некоторые семена сорняков, а также мелкое и дробленое зерно через просеиватель зерна по мере его поступления в зерновой бак.
Этот материал, именуемый «второсортной продукцией», впоследствии собирали в дополнительный резервуар для хранения. Эта технология была относительно эффективна в том плане, что «второсортник» был упакован, затем скармливался птице на фермах или подлежал утилизации иным образом. Эта технология устарела с 1970-х годов в связи с изменениями в системах обмолота и очистки комбайнов, которые позволили повысить эффективность обработки, а следовательно, и производительность комбайна. Семена сорняков, однако, рассеивались вместе с высевками обратно в почву.
Широко распространенная эволюция устойчивости к гербицидам в настоящее время угрожает устойчивости систем природоохранного сельского хозяйства. Исследования показали, что стоимость убытков австралийских производителей зерна составляет 3,3 миллиарда долларов в год из-за сочетания производственных потерь (0,75 миллиарда долларов) и расходов на борьбу с сорняками (2,57 миллиарда долларов). Устойчивость к гербицидам является значительным компонентом затрат на борьбу с сорняками ($187 млн), и при отсутствии новых гербицидов в обозримом будущем эти затраты будут продолжать расти.
Курс — на природоохранное земледелие
Необходимость улучшения структуры почвы, сохранения питательных веществ и сохранения почвенной влаги привела к широкому внедрению методов почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия (природоохранное сельское хозяйство), основанных на уменьшении обработки почвы и сохранение стерни.
Внедрение и развитие природоохранной практики возделывания сельскохозяйственных культур в Австралии началось в 1970-х годах и первоначально основывалось на ограниченном использовании культивирования до посева и при посеве семян. В этот период проводилось много экспериментов с применением «убийственнных» гербицидов прямого действия: параквата и диквата (Spray.Seed®) — это зарегистрированный товарный знак широкого спектра очень быстродействующих, неселективных, контактных гербицидов с уникальным режимом действия (Группа L) и глифосата. Первоначально темпы внедрения были низкими, но в течение 1990-х годов они быстро росли по мере развития технологии посева.
Впоследствии операции по обработке почвы были еще более ограничены в процессе посева с использованием ножевых наконечников, прикрепленных к зубьям или дисковым высевающим системам. Наличие высокоэффективных гербицидов для предпосевной борьбы с сорняками и селективной борьбы с сорняками в посевах стало существенным фактором успеха систем органического земледелия.
Принятие природоохранного сельского хозяйства улучшило состояние и структуру почв, а также позволило облегчить своевременный доступ сельскохозяйственному оборудованию к полям для посадки культур, защиты растений и сбора урожая. Существенно сократились задержки посева сельскохозяйственных культур из-за влажных почв. Более своевременное применение гербицидов повысило эффективность борьбы с сорняками на самой уязвимой стадии их роста.
До принятия почвозащитного и ресурсосберегающего земледелия посевная стерня обычно сжигалась осенью, чтобы удалить остатки для облегчения посева и борьбы со стерневыми болезнями, вредителями и сорняками. В конечном счете, сжигание было в значительной степени заменено сохранением стерни с введением высевающих систем с возможностью обработки стерни.
Эффективность гербицидов была неотъемлемой частью успеха природоохранного сельского хозяйства, но последовавшая чрезмерная зависимость оказала сильное селекционное давление на развитие устойчивости популяции сорняков.
Проблема устойчивости
Первый случай развившейся устойчивости к гербицидам в Австралии был зарегистрирован в 1982 году после всего лишь шести применений диклофопметила к ежегодной популяции райграса. Было также обнаружено, что эта популяция обладает перекрестной устойчивостью к целому ряду ингибирующих ACCase и ALS гербицидов. Несмотря на явное предупреждение о первом случае резистентности, сообщение было в значительной степени проигнорировано, и в течение относительно короткого периода (5-10 лет) эволюция устойчивых к гербицидам популяций сорняков начала оказывать влияние на жизнеспособность систем природоохранного земледелия.
Устойчивые к гербицидам популяции сорняков эволюционировали во всех точках мира, но эволюция стойкого сопротивления была наиболее выраженной в австралийском регионе производства зерна.
Степень устойчивости к гербицидам у других основных видов сорняков австралийского земледелия (например, дикого овса, дикой редьки, осота, тонколучника) менее выражена, чем у однолетнего райграса, но, тем не менее, значительна. Проведенное в 2010 году исследование западно-австралийского пшеничного пояса показало, что 71% случайно собранных популяций дикого овса были устойчивы к ингибирующему ACCase, гербициду диклофопметилу. Аналогичные исследования в Южном Новом Уэльсе выявили, что 38% и 20% дикого овса были устойчивы к диклофоп-метилу. В Западной Австралии более 80% популяций дикорастущей редьки были устойчивы к гербицидам сульфонилмочевины по сравнению с 15% в Новом Южном Уэльсе.
Рост резистентности к глифосату во всем мире вызывает особый интерес, поскольку в настоящее время подтверждена устойчивость 40 видов к этому гербициду. Впервые резистентность была выявлена в конце 1990-х годов у австралийских однолетних популяций райграса. С момента этого первоначального открытия частота резистентности к глифосату в Австралии продолжала расти, в то время как в глобальном масштабе большая часть роста частоты устойчивых к глифосату видов (Рис. 1) произошла с момента коммерческой доступности сортов сельскохозяйственных культур Roundup Ready™, особенно сои, кукурузы и хлопчатника.
Roundup Ready-растения содержат полную копию гена энолпирувилшикиматфосфат-синтетазы (EPSP synthase) из почвенной бактерии Agrobacterium sp. strain CP4, перенесённую в геном сои при помощи генной пушки (Gene gun), что делает их устойчивыми к гербициду глифосату, применяемому во всём мире для борьбы с сорными растениями.
Глифосат был и остается фундаментальным элементом систем сохранения сельскохозяйственных культур во всем мире. Последние технологии привели к росту зависимости путем включения в некоторые сельскохозяйственные культуры элементов, вызывающих устойчивость к глифосату, особенно в рапс в Австралии. Признаки резистентности к глифосатам в настоящее время являются основой подхода к планированию генов.
Использование свойств устойчивости к глифосатам доминирует в процессе развития устойчивых к гербицидам культур и теперь практикуется повсеместно, когда признаки накапливаются и резко меняется схема использования глифосата от сильнодействующего гербицида (т. е. контроля за вегетацией семенного ложа перед посадкой) до селективного гербицида широкого спектра действия в посевах. При этом он часто является последним гербицидом, используемым в вегетационный период, и поэтому любые выжившие растения будут способствовать эволюции устойчивости.
Альтернативные варианты
Борьба с гербицидоустойчивыми сорняками была фундаментальной для успеха австралийских систем ресурсосберегающего земледелия в последние три десятилетия. Однако отсутствие эффективных гербицидов в настоящее время угрожает жизнеспособности этих систем. Устойчивость к гербицидам и ограниченное введение новых гербицидов в совокупности серьезно ограничивают доступность эффективных вариантов гербицидов для борьбы с сорняками при выращивании сельскохозяйственных культур в Австралии. Назрела потребность в альтернативных технологиях контроля над сорняками. В настоящее время существует очень мало альтернатив гербицидам, которые можно регулярно использовать для борьбы с сорняками в природосберегающих системах сельскохозяйственных культур. Доступные варианты уступают гербицидам и, следовательно, должны использоваться вместе и в сочетании.
Повышать конкурентоспособность
Усиление конкурентоспособности урожая — это прагматичный подход к борьбе с проблемными сорняками, особенно с устойчивыми к гербицидам. В отсутствие контроля сорняки конкурируют с сельскохозяйственными культурами за необходимые ресурсы. Усиление конкурентоспособности урожая улучшает использование ресурсов (воды, питательных веществ и света) культурой. Несмотря на то, что усиление конкурентоспособности посевов происходит в течение всего вегетационного периода, усиление конкурентного воздействия сельскохозяйственных культур осуществляется преимущественно при посеве.
.jpg)
Агрономические показатели, такие как размер семян, норма высева, расстояние между рядами, ориентация рядков, сорт культур и размещение удобрений, могут быть скорректированы, чтобы гарантировать конкурентное преимущество саженцев культур над сорняками. Усиление конкурентоспособности урожая предлагает значительные преимущества в борьбе с сорняками и, что важно, увеличивает урожайность.
В Австралии усиление конкурентоспособности урожая благодаря более высокой плотности растений пшеницы (от 150 до 200 растений / м2) последовательно приводило к существенному (> 50%) сокращению роста и производства семян доминирующих видов сорняков, однолетнего райграса, дикой редьки, дикого овса и травы брома. Как правило, повышение конкурентоспособности посевов пшеницы за счет увеличения плотности растений оказывает положительное влияние на урожайность зерна без ущерба для качества. Аналогичным образом, использование узкого междурядья улучшает конкуренцию в пользу культу ры, развивая более быстрое покрытие навеса и обеспечивая меньшее проникновение света через листья. Аналогичным образом, изменение ориентации рядков может способствовать конкуренции и подавлению проблемных сорняков.
Усиление конкурентоспособности посевов не может рассматриваться как отдельное средство борьбы с сорняками. В сочетании с другими методами борьбы с сорняками, дополнительное воздействие на популяции сорняков может иметь решающее значение. Например, усиление конкурентоспособности посевов пшеницы обычно повышает эффективность селективных гербицидов в борьбе с популяциями сорняков. Важно отметить, что эта конкуренция может привести к контролю популяций сорняков, устойчивых к применяемому гербициду. Например, популяция дикого редиса, резистентного к 2,4-D, контролировалась, когда 2,4-D применялся с рекомендуемой скоростью для устойчивых растений, присутствующих в конкурентной культуре пшеницы. Наряду с дополнением гербицидной активности, усиление конкурентоспособности урожая сельскохозяйственных культур, вероятно, повысит эффективность борьбы с сорняками.
Однолетние виды сорняков, заражающие глобальные системы производства пшеницы, как правило, не терпят тени. При конкуренции с пшеницей за свет наиболее вероятной реакцией видов сорняков с непереносимостью тени является стремление к вертикальному росту. Эта стремление, несомненно, приведет к тому, что большие доли общего семенного производства будут располагаться выше высоты среза комбайна и увеличат последующее воздействие методов борьбы с сорняками. Таким образом, очевидно, что совокупные преимущества повышения урожайности и усиления борьбы с сорняками гарантируют, что агрономическая борьба с сорняками должна стать стандартной практикой в рамках всего мирового производства пшеницы.
Система борьбы с сорняками
Биологический признак (недостаток) удержания семян при созревании у однолетнего райграса, дикой редьки и других однолетних видов сорняков следующий: при созревании урожая головки семян остаются неповрежденными и находятся на высоте, позволяющей «собирать» семена сорняков во время уборки зерновых культур. Например, у полевых культур большая доля (~60100%) общей семенной продуктивности доминирующих однолетних видов сорняков, однолетнего райграса, дикого редиса, бромовой травы и дикого овса может быть собрана во время уборки зерновых культур. Эффективная работа зерноуборочного комбайна вытесняет собранные семена сорняков из комбайна, как правило, в высевки остатков урожая. Признана возможность борьбы с сорняками путем сбора семян сорняков, а впоследствии были разработаны системы борьбы с сорняками (HWSC) во время коммерческого сбора зерновых культур. К ним относятся:
- сбор высевок и последующее сжигание;
- выпас скота или мульчирование (тележка с высевками);
- концентрация остатков соломы в узком ветрогенераторе для последующего горения (узкое валковое сжигание);
- концентрация высевков в узких рядах (подкладка высевков);
- сбор и упаковка высевков вместе с остатками соломы (прямая система тюков);
- механическое разрушение во время сбора урожая (интегрированный разрушитель и разделитель семян Харрингтона) (Рис. 3).
HWSC — Harvest Weed Seed Control (система борьбы с сорняками) — это устоявшаяся и эффективная практика борьбы с сорняками у австралийских производителей сельскохозяйственных культур. Подсчитано, что почти треть австралийских производителей регулярно используют ту или иную форму HWSC для решения своих проблем с сорняками на посевах. Хотя эти системы доказали свою эффективность на однолетнем райграсе и дикой редьке, их действенность в отношении других доминирующих видов сорняков австралийского земледелия, таких как дикий овес и костёр, может быть ограничена плохим удержанием семян при сборе урожая. Учитывая, что HWSC в настоящее время является обычной формой борьбы с сорняками, задача иссле дователей и промышленности состоит в том, чтобы повысить эффективность этих систем для других видов сорняков.
.jpg)
Стратегический подход
Стратегический подход предполагает использование крайне разрушительного метода, когда популяции сорняков достигают заранее определенного критического уровня (например, >5,0 растений/м2), и цель состоит в максимальном воздействии на эти популяции в течение кратчайшего периода времени. Во всех программах борьбы с сорняками будут иметь место случаи, когда плотность сорняков увеличивается до уровня, который оказывает чрезмерное давление на устойчивость методов борьбы с сорняками, а также производственную систему. Поскольку эволюция резистентности ко всем методам борьбы с сорняками возрастает с увеличением плотности сорняков, то необходима эффективная тактика борьбы с сорняками, использование которой обеспечивает существенное и быстрое уменьшение числа сорняков. Когда численность сорняков заметно ниже (например, <1 растение/10 м2), можно возобновить регулярное производство сельскохозяйственных культур, включая использование шаблонных методов борьбы.
Первоначально обработка почвы регулярно использовалась для улучшения условий выращивания сельскохозяйственных культур и борьбы с сорняками.
Однако появление и успешное внедрение беспахотных систем, включающих химическую борьбу с сорняками, показало, что для борьбы с сорняками обработка почвы не нужна.
Влияние растительных отходов на сорняки
В системах удержания стерни необходимо учитывать роль растительных остатков сельскохозяйственных культур с точки зрения их воздействия на формирование сорняков при последующих посевах. В США было обнаружено, что растительные остатки горошка мохнатого (Vicia villosa) и ржи (Secale Grain) снижают плотность сорняков более чем на 75% по сравнению с обработкой без отходов. В недавнем исследовании вегетационных сосудов в Квинсленде добавление 6 т/га растительных остатков пшеницы уменьшило появление африканского сорняка репы/гулявника аптечного на 64-75% по сравнению с отсут ствием отходов. В аналогичных исследованиях сохранение растительных остатков сорго и пшеницы на поверхности почвы уменьшало появление всходов травы ветряной мельницы (Chloris truncata) и обыкновенного сеянца соответственно. Помимо уменьшения количества всходов сорняков, сохранение остатков задерживает их появление по времени. Появляющиеся позднее всходы сорняков окажутся в невыгодном с точки зрения конкуренции и будут оказывать меньшее воздействие на рост посевов возделываемой культуры.
Подбор сортов зерновых культур
Разнообразие видов зерновых и различия в конкурентоспособности культур оказали стимул на генетическое совершенствование культур для улучшенной борьбы с сорняками. Конкурентоспособность можно рассматривать как частичное или полное подавление конкурирующих сорняков для повышения урожайности сельскохозяйственных культур или способность сорта терпимо относиться к конкуренту для поддержания более высоких урожаев. Отбор на предмет большей терпимости к насекомым-вредителям является стратегией размножения, но она имеет меньшую ценность в борьбе с сорняками из-за постоянного роста и развития сорняков, а также выпуска их семян. Отбор конкурентоспособных культур был сосредоточен на отборе генотипов с улучшенным доступом к свету, воде и питательным веществам, которые подавляют рост соседних сорняков.
На пороге цифровой эры
Активный период борьбы с сорняками на австралийских землях начался с гербицидной революции, когда внедрение высокоэффективных селективных и неселективных гербицидов обеспечивало превосходную борьбу с доминирующими сорняками на посевах. Эти гербициды способствовали внедрению природоохранного сельского хозяйства и прекращению применения систем борьбы с сорняками на основе обработки почвы. Однако в конце 1980-х годов появились сообщения о резистентности к гербицидам. Масштабы и серьезность этого явления резко и навсегда изменили практику борьбы с сорняками и возделывания сельскохозяйственных культур в этом регионе, так что начиная с 2000-х годов основное внимание было сосредоточено на сохранении потенциала гербицидов и разработке альтернативных технологий борьбы с сорняками.
Внедрение и развитие HWSC (система борьбы с сорняками) в сочетании с новым акцентом на конкуренцию сельскохозяйственных культур несколько снизили давление отбора на немногие оставшиеся гербицидные ресурсы. Это в сочетании с вариантами борьбы с сорняками «интервенционного типа», когда популяции сорняков начинают расти, позволило производителям в настоящее время продолжать использовать системы сохранения посевов. Однако по-прежнему существует проблема разработки высокоэффективных альтернатив гербицидам для регулярного использования в производственных системах. По мере того как мы вступаем в следующую эру, ожидается, что прогресс в области цифровых технологий обеспечит возможности контроля на конкретных участках и рост потенциала для использования целого ряда альтернативных подходов к борьбе с сорняками.
