Севооборот – это практика выращивания ряда различных типов культур на одной и той же территории в течение последовательности вегетационных сезонов . Такая практика снижает зависимость сельскохозяйственных культур от одного набора питательных веществ, снижает давление вредителей и сорняков, а также вероятность развития устойчивых вредителей и сорняков.
Выращивание одной и той же культуры на одном и том же месте в течение многих лет подряд, известное как монокультура , постепенно истощает почву определенными питательными веществами и отбирает как высококонкурентное сообщество вредителей, так и сорняков. Без балансирования использования питательных веществ и диверсификации сообществ вредителей и сорняков продуктивность монокультур сильно зависит от внешних факторов, которые могут нанести ущерб плодородию почвы. И наоборот, хорошо продуманный севооборот может снизить потребность в синтетических удобрениях и гербицидах за счет лучшего использования экосистемных услуг , предоставляемых разнообразным набором культур. Кроме того, севооборот может улучшить структуру почвы и содержание органических веществ , что уменьшает эрозию и повышает устойчивость сельскохозяйственных систем.
Фермеры давно осознали, что подходящие севообороты, такие как посев яровых культур для скота вместо зерна для потребления человеком, позволяют восстановить или сохранить продуктивные почвы. Древние ближневосточные земледельцы практиковали севооборот еще в 6000 году до нашей эры, попеременно сажая бобовые и зерновые культуры . [1] [2] [ нужен лучший источник ]
При двухпольной севообороте половина земли была засеяна за год, а другая половина лежала под паром . Затем, в следующем году, два поля поменялись местами. В Китае как двух-, так и трехпольная системы использовались со времен Восточного Чжоу . [3]
Со времен Карла Великого (умер в 814 г.) земледельцы в Европе перешли от двухпольной системы к трехпольной . Это сохранялось до 20 века. Имеющаяся земля была разделена на три участка. Осенью одну секцию засевали рожью или озимой пшеницей , затем яровым овсом или ячменем ; во второй секции выращивались такие культуры , как бобовые , а именно горох, чечевица или фасоль; а третье поле осталось под паром. Три поля менялись таким образом, чтобы каждые три года одно из полей отдыхало и лежало под паром. При двухпольной системе за каждый год засеивалась только половина земли. В рамках новой трехпольной системы севооборота было засеяно две трети земли, что потенциально может принести больший урожай. Но дополнительный урожай имел более значительный эффект, чем просто количественная продуктивность. Поскольку яровые культуры были в основном бобовыми, фиксирующими азот, необходимый растениям для выработки белков , они увеличили общее питание жителей Северной Европы. [4]
Фермеры в регионе Ваасланд (на территории современной северной Бельгии) стали пионерами четырехпольной севооборота в начале 16 века, а британский агроном Чарльз Таунсенд (1674–1738) популяризировал эту систему в 18 веке. Последовательность четырех культур ( пшеница , репа , ячмень и клевер ) включала кормовую культуру и пастбищную культуру, что позволяло разводить скот круглый год. Четырехпольный севооборот стал ключевым событием Британской сельскохозяйственной революции . [5]
Джордж Вашингтон Карвер (1860–1943) изучал методы севооборота в Соединенных Штатах , обучая южных фермеров чередовать истощающие почву культуры, такие как хлопок, с культурами, обогащающими почву, такими как арахис и горох .
Во время Зеленой революции середины 20-го века севооборот в развитых странах уступил место практике добавления химических веществ в почву путем внесения удобрений , добавления ( например) аммиачной селитры или мочевины и восстановления pH почвы известью . . Такая практика была направлена на повышение урожайности, подготовку почвы для выращивания специальных культур, а также на сокращение отходов и неэффективности за счет упрощения посадки , сбора урожая и орошения .
Предварительную оценку взаимосвязей культур можно найти в том, как каждая культура: [6]
Выбор культуры часто связан с целью, которую фермер хочет достичь с помощью севооборота, а это может быть борьба с сорняками , увеличение доступного азота в почве, борьба с эрозией или увеличение структуры и биомассы почвы, и это лишь некоторые из них. [7] При обсуждении севооборотов культуры классифицируются по-разному в зависимости от того, какое качество оценивается: по семейству, по потребностям/выгодам в питательных веществах и/или по прибыльности (т. е. товарная культура по сравнению с покровной культурой ). [8] Например, уделение должного внимания семейству растений имеет важное значение для борьбы с вредителями и патогенами. Тем не менее, многие фермеры успешно справляются с севооборотом, планируя последовательность и покровные культуры вокруг желаемых товарных культур. [9] Ниже приводится упрощенная классификация, основанная на качестве урожая и назначении.
Многие культуры, имеющие решающее значение для рынка, такие как овощи , являются пропашными (то есть выращиваются в узких рядах). [8] Хотя эти культуры часто являются наиболее прибыльными для фермеров, они наносят больший ущерб почве. [8] Пропашные культуры обычно имеют низкую биомассу и неглубокие корни: это означает, что растение вносит мало остатков в окружающую почву и оказывает ограниченное влияние на структуру. [10] Поскольку большая часть почвы вокруг растения подвергается разрушению из-за осадков и дорожного движения, на полях с пропашными культурами происходит более быстрое расщепление органических веществ микробами, оставляя меньше питательных веществ для будущих растений. [10]
Короче говоря, хотя эти культуры могут быть прибыльными для фермы, они истощают питательные вещества. Практика севооборота существует для того, чтобы найти баланс между краткосрочной прибыльностью и долгосрочной продуктивностью. [9]
Большим преимуществом севооборота является взаимосвязь азотфиксирующих культур с культурами, требовательными к азоту. Бобовые, такие как люцерна и клевер, собирают доступный азот из атмосферы и сохраняют его в клубеньках на корневой структуре. [11] Когда растение собирают, биомасса несобранных корней разрушается, делая накопленный азот доступным для будущих культур. [12]
Кроме того, у бобовых есть тяжелые стержневые корни, которые глубоко проникают в землю, приподнимая почву для лучшего рыхления и поглощения воды.
Зерновые и травы часто являются покровными культурами из-за множества преимуществ, которые они придают качеству и структуре почвы . Плотная и широкая корневая система придает обширную структуру окружающей почве и обеспечивает значительную биомассу для органического вещества почвы .
Травы и злаки играют ключевую роль в борьбе с сорняками, поскольку они конкурируют с нежелательными растениями за почвенное пространство и питательные вещества.
Зеленое удобрение – это культура, которую смешивают с почвой. В качестве сидерата можно использовать как азотфиксирующие бобовые, так и поглотители питательных веществ, такие как травы. [11] Зеленое удобрение бобовых является отличным источником азота, особенно для органических систем, однако биомасса бобовых не способствует сохранению органических веществ в почве , как это делают травы. [11]
При планировании севооборота необходимо учитывать множество факторов. Планирование эффективного севооборота требует взвешивания фиксированных и меняющихся производственных обстоятельств: рынка, размера фермы, предложения рабочей силы, климата, типа почвы, методов выращивания и т. д. [13] Более того, севооборот должен учитывать, в каком состоянии та или иная культура покинет почву для дальнейшего использования. последующий урожай и как можно засеять одну культуру другой культурой. [13] Например, азотфиксирующая культура, такая как бобовая, всегда должна предшествовать культуре, истощающей азот; аналогично, культура с низким содержанием остатков (т.е. культура с низкой биомассой) должна быть компенсирована покровной культурой с высокой биомассой, например, смесью трав и бобовых. [6]
Нет ограничений на количество культур, которые можно использовать в севообороте, или на время, необходимое для завершения севооборота. [10] Решения о севообороте принимаются за несколько лет до сезона, или даже в последнюю минуту, когда появляется возможность увеличить прибыль или качество почвы. [9]
Системы севооборота могут быть обогащены другими методами, такими как добавление скота и навоза [14] , а также выращивание более одной культуры одновременно на поле. Монокультура – это культура, выращиваемая отдельно в поле . Поликультура предполагает выращивание двух или более культур в одном и том же месте одновременно. Севообороты могут применяться как к монокультурам, так и к поликультурам, что дает множество способов увеличения сельскохозяйственного биоразнообразия (таблица). [15]
Внедрение животноводства позволяет наиболее эффективно использовать важные дерново - покровные культуры ; Домашний скот (через навоз ) способен распределять питательные вещества этих культур по почве, а не вывозить питательные вещества с фермы за счет продажи сена. [10]
Смешанное земледелие или практика выращивания сельскохозяйственных культур с использованием домашнего скота могут помочь в чередовании культур и кругообороте питательных веществ. Пожнивные остатки служат кормом для животных, а животные служат навозом для восполнения питательных веществ сельскохозяйственных культур и тягловой силы. Эти процессы способствуют внутреннему круговороту питательных веществ и сводят к минимуму потребность в синтетических удобрениях и крупногабаритной технике. Дополнительным преимуществом является то, что крупный рогатый скот, овцы и/или козы дают молоко и могут выступать в качестве товарной культуры во времена экономических трудностей. [16]
Системы поликультуры , такие как совмещение культур или сопутствующие посадки , предлагают больше разнообразия и сложности в течение одного сезона или севооборота. Примером могут служить «Три сестры» , совмещение кукурузы с фасолью и виноградной тыквой или тыквой. В этой системе бобы обеспечивают азот; кукуруза обеспечивает поддержку бобов и «экран» от мотылька; виноградная тыква обеспечивает навес, подавляющий сорняки, и отпугивает енотов, жаждущих кукурузы. [7]
Двойной урожай распространен, когда две культуры, обычно разных видов, выращиваются последовательно в один и тот же вегетационный период или когда одна культура (например, овощи) выращивается непрерывно вместе с покровной культурой (например, пшеницей). [6] Это выгодно для небольших ферм, которые часто не могут позволить себе оставлять покровные культуры для пополнения почвы в течение длительных периодов времени, в отличие от более крупных ферм. Когда на небольших фермах применяется несколько культур, эти системы могут максимизировать преимущества севооборота на имеющихся земельных ресурсах. [9]
В Соединенных Штатах севооборот является обязательной практикой для ферм, стремящихся получить органическую сертификацию . [17] «Стандарт практики севооборота» Национальной органической программы в соответствии с Кодексом федеральных правил США , раздел §205.205, гласит, что
Фермеры обязаны внедрить севооборот, который поддерживает или увеличивает органическое вещество почвы, помогает бороться с вредителями, управляет и сохраняет питательные вещества, а также защищает от эрозии. Производители многолетних культур, которые не чередуются, могут использовать другие методы, такие как покровные культуры, для поддержания здоровья почвы . [10]
Помимо снижения потребности в ресурсах (путем борьбы с вредителями и сорняками и увеличения количества доступных питательных веществ), севооборот помогает производителям органической продукции увеличить биоразнообразие на своих фермах. [10] Биоразнообразие также является требованием органической сертификации, однако не существует правил, регулирующих или усиливающих этот стандарт. [10] Увеличение биоразнообразия сельскохозяйственных культур оказывает благотворное воздействие на окружающую экосистему и может стать местом обитания большего разнообразия фауны, насекомых, [10] и полезных микроорганизмов в почве [10] , как обнаружено МакДэниелом и др., 2014 г. и Лори и др., 2017 г. [18] Некоторые исследования указывают на повышенную доступность питательных веществ из севооборота при использовании органических систем по сравнению с традиционными методами, поскольку органические методы с меньшей вероятностью подавляют полезные микробы в органическом веществе почвы. [19]
Хотя выращивание нескольких культур и совмещение культур основаны на тех же принципах, что и севооборот, они не удовлетворяют требованиям NOP . [10]
Агрономы называют преимущества севооборота «эффектом севооборота». Системы ротации имеют множество преимуществ. Факторы, связанные с увеличением, в целом обусловлены смягчением негативных факторов монокультурных систем земледелия. В частности, улучшение питания; снижение стресса от вредителей, патогенов и сорняков; Было обнаружено, что улучшенная структура почвы в некоторых случаях коррелирует с полезным эффектом ротации.
Другие преимущества включают снижение себестоимости производства. Общие финансовые риски более широко распределяются по более разнообразному производству сельскохозяйственных культур и/или животноводства. Меньше полагается на покупные ресурсы, и со временем сельскохозяйственные культуры могут достичь производственных целей с меньшими затратами. Это в сочетании с более высокой краткосрочной и долгосрочной урожайностью делает севооборот мощным инструментом для улучшения сельскохозяйственных систем.
Использование различных видов в севообороте позволяет увеличить содержание органического вещества в почве (ПОВ), улучшить структуру почвы и улучшить химическую и биологическую среду почвы для сельскохозяйственных культур. Чем больше ПОВ, тем лучше инфильтрация и удержание воды, что обеспечивает повышенную засухоустойчивость и снижение эрозии.
Органическое вещество почвы представляет собой смесь разлагающегося материала биомассы с активными микроорганизмами . Севооборот по своей природе увеличивает воздействие биомассы из дерна, сидератов и различных других растительных остатков. Снижение потребности в интенсивной обработке почвы при севообороте позволяет агрегации биомассы привести к большему удержанию и использованию питательных веществ, уменьшая потребность в дополнительных питательных веществах. [8] При обработке почвы разрушение и окисление почвы создают менее благоприятную среду для разнообразия и размножения микроорганизмов в почве. Именно эти микроорганизмы делают питательные вещества доступными для растений. Итак, там, где «активное» органическое вещество почвы является ключом к продуктивной почве, почва с низкой микробной активностью обеспечивает растениям значительно меньше питательных веществ; это верно, даже несмотря на то, что количество биомассы, оставшейся в почве, может быть одинаковым.
Почвенные микроорганизмы также снижают активность патогенов и вредителей посредством конкуренции. Кроме того, растения производят корневые выделения и другие химические вещества, которые воздействуют на почвенную среду, а также на окружающую среду сорняков. Таким образом, севооборот позволяет повысить урожайность за счет наличия питательных веществ, а также уменьшить аллелопатию и конкурирующую среду с сорняками. [20]
Севообороты значительно увеличивают содержание органического углерода в почве (SOC) , основного компонента органического вещества почвы . [21] Углерод, наряду с водородом и кислородом, является макроэлементом для растений. Очень разнообразные севообороты, охватывающие длительные периоды времени, оказались еще более эффективными для увеличения SOC, в то время как нарушения почвы (например, в результате обработки почвы) ответственны за экспоненциальное снижение уровней SOC. [21] В Бразилии при переходе на методы нулевой обработки почвы в сочетании с интенсивными севооборотами уровень секвестрации ПОУ составил 0,41 тонны на гектар в год. [22]
Помимо повышения урожайности сельскохозяйственных культур, секвестрация атмосферного углерода имеет большое значение для снижения темпов изменения климата за счет удаления углекислого газа из воздуха.
Севооборот может добавить питательные вещества в почву. Бобовые , растения семейства Fabaceae , имеют на корнях клубеньки , содержащие азотфиксирующие бактерии, называемые ризобиями . Во время процесса, называемого клубенькованием, бактерии-ризобии используют питательные вещества и воду, поступающие из растения, для преобразования атмосферного азота в аммиак, который затем преобразуется в органическое соединение, которое растение может использовать в качестве источника азота. [23] Поэтому в сельском хозяйстве имеет смысл чередовать их со злаками (семейство Poaceae ) и другими растениями, требующими нитратов . Количество азота, доступного растениям, зависит от таких факторов, как вид бобовых, эффективность бактерий-ризобий, состояние почвы и наличие элементов, необходимых для питания растений. [24]
Севооборот также используется для борьбы с вредителями и болезнями, которые со временем могут поселиться в почве. Последовательная смена культур снижает уровень популяции вредителей за счет (1) прерывания жизненного цикла вредителей и (2) нарушения среды обитания вредителей. [9] Растения одного и того же таксономического семейства , как правило, имеют схожих вредителей и патогенов. Регулярно меняя культуры и сохраняя почву под покровными культурами, а не под паром, циклы распространения вредителей можно разорвать или ограничить, особенно те циклы, которые выигрывают от перезимовки в остатках. [25] Например, галловая нематода представляет собой серьезную проблему для некоторых растений в теплом климате и на песчаных почвах, где она медленно накапливается в почве до высоких уровней и может серьезно повредить продуктивности растений, перекрывая циркуляцию крови у корней растений. . Выращивание культуры, которая не является хозяином галловой нематоды, в течение одного сезона значительно снижает уровень нематоды в почве, что позволяет вырастить восприимчивую культуру в следующем сезоне без необходимости фумигации почвы .
Этот принцип особенно полезен в органическом сельском хозяйстве , где борьба с вредителями должна осуществляться без использования синтетических пестицидов. [14]
Включение некоторых культур, особенно покровных культур , в севообороты имеет особую ценность для борьбы с сорняками . Эти культуры вытесняют сорняки за счет конкуренции. Кроме того, дерн и компост из покровных культур и сидератов замедляют рост тех сорняков, которые все еще могут проникнуть в почву, что дает культурам дополнительное конкурентное преимущество. Замедляя рост и распространение сорняков при возделывании покровных культур, фермеры значительно сокращают присутствие сорняков для будущих культур, включая мелкокорневые и пропашные культуры, которые менее устойчивы к сорнякам. Таким образом, покровные культуры считаются консервирующими культурами, поскольку они защищают залежную землю от зарастания сорняками. [25]
Эта система имеет преимущества перед другими распространенными методами борьбы с сорняками, такими как обработка почвы . Обработка почвы предназначена для подавления роста сорняков путем переворачивания почвы; однако это имеет противоположный эффект: обнажаются семена сорняков, которые могли быть закопаны, и закапываются ценные семена сельскохозяйственных культур. При севообороте количество жизнеспособных семян в почве снижается за счет уменьшения численности сорняков.
Помимо негативного влияния на качество урожая и урожайность, сорняки могут замедлить процесс уборки урожая. Сорняки снижают эффективность фермеров при уборке урожая, поскольку такие сорняки, как вьюнок и спорыш, могут запутываться в оборудовании, что приводит к остановке и остановке сбора урожая. [26]
Севооборот позволяет значительно сократить потери почвы в результате водной эрозии . В районах, которые очень подвержены эрозии, методы ведения сельского хозяйства, такие как нулевая и сокращенная обработка почвы, могут быть дополнены специальными методами севооборота для уменьшения воздействия дождевых капель, отделения наносов, переноса наносов , поверхностного стока и потери почвы. [27]
Защита от потери почвы максимизируется с помощью методов севооборота, при которых наибольшая масса стерни (растительных остатков, оставшихся после сбора урожая) остается поверх почвы. Стерневой покров, контактирующий с почвой, сводит к минимуму водную эрозию за счет снижения скорости сухопутного потока, мощности потока и, следовательно, способности воды отделять и переносить осадки. [28] Эрозия и уплотнение почвы предотвращают разрушение и отделение почвенных агрегатов, что приводит к закупорке макропор, снижению инфильтрации и увеличению стока. [29] Это значительно повышает устойчивость почв в периоды эрозии и стресса.
При разрушении кормового урожая образуются связующие продукты, которые действуют как клей на почве, заставляя частицы слипаться и образовывать агрегаты. [30] Формирование почвенных агрегатов важно для борьбы с эрозией, поскольку они лучше противостоят воздействию дождевых капель и водной эрозии. Почвенные агрегаты также уменьшают ветровую эрозию, поскольку они представляют собой более крупные частицы и более устойчивы к истиранию при обработке почвы. [31]
Влияние севооборота на борьбу с эрозией зависит от климата. В регионах с относительно стабильными климатическими условиями, где предполагается годовое количество осадков и уровень температуры, жесткий севооборот может обеспечить достаточный рост растений и почвенный покров. В регионах, где климатические условия менее предсказуемы и могут возникать неожиданные периоды дождей и засухи, необходим более гибкий подход к почвенному покрову за счет севооборота. Система возделывания сельскохозяйственных культур обеспечивает достаточный почвенный покров в этих нестабильных климатических условиях. [32] В системе альтернативного земледелия сельскохозяйственные культуры выращиваются, когда почвенная вода достаточна и имеется надежное окно для посева. Эта форма системы земледелия, вероятно, обеспечит лучший почвенный покров, чем жесткий севооборот, поскольку культуры высеваются только в оптимальных условиях, тогда как жесткие системы не обязательно высеваются в лучших доступных условиях. [33]
Севооборот также влияет на время и продолжительность обработки поля паром. [34] Это очень важно, потому что в зависимости от климата конкретного региона поле может быть наиболее уязвимым к эрозии, когда оно находится под паром. Эффективное управление паром является важной частью снижения эрозии в системе севооборота. Нулевая обработка почвы является фундаментальной практикой управления, которая способствует сохранению стерни при длительном незапланированном паре, когда посевы не могут быть посеяны. [32] Такие методы управления, которые позволяют сохранить подходящий почвенный покров на территориях под паром, в конечном итоге уменьшат потери почвы. В недавнем исследовании, которое длилось десять лет, было обнаружено, что обычная озимая покровная культура после сбора картофеля, такая как осенняя рожь, может уменьшить сток почвы на целых 43%, и это, как правило, самая питательная почва. [35]
Увеличение биоразнообразия сельскохозяйственных культур оказывает благотворное воздействие на окружающую экосистему и может стать местом обитания большего разнообразия фауны, насекомых [10] и полезных микроорганизмов в почве [10] , как обнаружено МакДэниелом и др., 2014 г. и Лори и др., 2017 г. [18] . ] Некоторые исследования указывают на повышенную доступность питательных веществ в севообороте при использовании органических систем по сравнению с традиционными методами, поскольку органические методы с меньшей вероятностью подавляют полезные микробы в органическом веществе почвы, такие как арбускулярные микоризы, которые увеличивают поглощение питательных веществ растениями. [19] Увеличение биоразнообразия также повышает устойчивость агроэкологических систем. [8]
Севооборот способствует повышению урожайности за счет улучшения питания почвы. Требуя посадки и сбора разных культур в разное время, можно обрабатывать больше земли, используя то же количество техники и рабочей силы.
Использование различных культур в севообороте позволяет снизить риски неблагоприятных погодных условий для отдельного фермера. [36] [37]
Хотя севооборот требует тщательного планирования, выбор культур должен отвечать ряду фиксированных условий (тип почвы, топография, климат и ирригация), а также условиям, которые могут резко меняться из года в год (погода, рынок, трудовые ресурсы). поставлять). [9] Таким образом, неразумно планировать урожай на годы вперед. Неправильная реализация плана севооборота может привести к дисбалансу в составе питательных веществ почвы или накоплению патогенов, поражающих важную культуру. [9] Последствия неправильного вращения могут занять годы, чтобы стать очевидными даже для опытных почвоведов, и столько же времени может занять их исправление. [9]
В практике, связанной со севооборотом, существует множество проблем. Например, сидерат бобовых может привести к нашествию улиток или слизней, а гниение сидерата может иногда подавлять рост других культур. [12]