В сельском хозяйстве покровные культуры — это растения, которые высаживаются для покрытия почвы, а не для сбора урожая . Покровные культуры управляют эрозией почвы , плодородием почвы , качеством почвы , водой, сорняками , вредителями , болезнями, биоразнообразием и дикой природой в агроэкосистеме — экологической системе, управляемой и формируемой людьми. Покровные культуры могут повышать микробную активность в почве, что оказывает положительное влияние на доступность азота , поглощение азота целевыми культурами и урожайность культур . Покровные культуры снижают риски загрязнения воды и удаляют CO2 из атмосферы. [1] Покровные культуры могут быть внесезонной культурой, высаживаемой после сбора урожая товарной культуры . Покровные культуры являются культурами-питателями, поскольку они повышают выживаемость основной собираемой культуры и часто выращиваются зимой. [2] [3] В Соединенных Штатах покровные культуры могут стоить до 35 долларов за акр. [4]
Хотя покровные культуры могут выполнять несколько функций в агроэкосистеме одновременно, их часто выращивают с единственной целью — предотвратить эрозию почвы . Эрозия почвы — это процесс, который может непоправимо снизить производительность агроэкосистемы. Покровные культуры сокращают потерю почвы за счет улучшения структуры почвы и увеличения инфильтрации, защиты поверхности почвы, рассеивания энергии дождевых капель и снижения скорости движения воды по поверхности почвы. [5] Густые насаждения покровных культур физически замедляют скорость осадков до того, как они коснутся поверхности почвы, предотвращая разбрызгивание почвы и эрозионный поверхностный сток . [6] Кроме того, обширные корневые сети покровных культур помогают закрепить почву на месте и увеличивают пористость почвы, создавая подходящие сети местообитаний для почвенной макрофауны. [7] Они поддерживают обогащение почвы на хорошем уровне в течение следующих нескольких лет.
Одним из основных применений покровных культур является повышение плодородия почвы. Эти типы покровных культур называются « зелеными удобрениями ». Они используются для управления рядом макро- и микроэлементов почвы . Из различных питательных веществ наибольшее внимание исследователей и фермеров привлекло влияние покровных культур на управление азотом, поскольку азот часто является наиболее ограничивающим питательным веществом в производстве сельскохозяйственных культур.
Часто зеленые удобрения выращивают в течение определенного периода, а затем запахивают до достижения полной зрелости, чтобы улучшить плодородие и качество почвы. Оставшиеся стебли блокируют эрозию почвы.
Зеленые удобрения обычно относятся к бобовым , то есть они являются частью семейства бобовых, Fabaceae . Это семейство уникально тем, что все виды в нем образуют стручки, такие как фасоль, чечевица, люпин и люцерна . Бобовые покровные культуры, как правило, богаты азотом и часто могут обеспечить необходимое количество азота для производства сельскохозяйственных культур. В традиционном сельском хозяйстве этот азот обычно применяется в форме химических удобрений. В органическом земледелии азот может вноситься в виде органических удобрений , компоста , семян покровных культур и фиксации покровными культурами бобовых . [8] Это качество покровных культур называется ценностью замещения удобрения. [9]
Другим уникальным качеством бобовых покровных культур является то, что они образуют симбиотические отношения с ризобиальными бактериями, которые находятся в корневых клубеньках бобовых. Люпин клубеньки образует почвенный микроорганизм Bradyrhizobium sp. (Lupinus). Bradyrhizobia встречается как микросимбионты в других бобовых культурах ( Argyrolobium , Lotus , Ornithopus , Acacia , Lupinus ) средиземноморского происхождения. Эти бактерии преобразуют биологически недоступный атмосферный азотный газ ( N
2) в биологически доступный аммоний ( NH+
4) посредством процесса биологической фиксации азота . В целом, покровные культуры повышают микробную активность почвы, что оказывает положительное влияние на доступность азота в почве, поглощение азота целевыми культурами и урожайность. [8]
До появления процесса Габера-Боша , энергоемкого метода, разработанного для проведения промышленной азотфиксации и создания химических азотных удобрений, большая часть азота, вводимого в экосистемы, возникала посредством биологической азотфиксации. [10] Некоторые ученые полагают, что широко распространенная биологическая азотфиксация, достигаемая в основном за счет использования покровных культур, является единственной альтернативой промышленной азотфиксации в попытке сохранить или увеличить будущие уровни производства продуктов питания. [11] [12] Промышленная азотфиксация подвергалась критике как неустойчивый источник азота для производства продуктов питания из-за ее зависимости от энергии ископаемого топлива и воздействия на окружающую среду, связанного с использованием химических азотных удобрений в сельском хозяйстве. [13] Такие широко распространенные воздействия на окружающую среду включают потери азотных удобрений в водные пути, что может привести к эвтрофикации (нагрузке питательными веществами) и последующей гипоксии (истощению кислорода) больших водоемов.
Примером этого является бассейн долины реки Миссисипи, где многолетние выбросы азотных удобрений в водораздел от сельскохозяйственного производства привели к ежегодной летней гипоксической «мертвой зоне» у побережья Мексиканского залива , площадь которой в 2017 году достигла более 22 000 квадратных километров. [14] [15] В результате этого экологическая сложность морской жизни в этой зоне снижается. [16]
Помимо внесения азота в агроэкосистемы посредством биологической азотфиксации, типы покровных культур, известные как « промежуточные культуры », используются для удержания и переработки уже имеющегося почвенного азота. Промежуточные культуры поглощают избыток азота, оставшийся от удобрения предыдущей культуры, предотвращая его потерю через выщелачивание [ 17] или газообразную денитрификацию или испарение [18] .
Промежуточные культуры, как правило, представляют собой быстрорастущие однолетние виды злаковых культур, приспособленные к эффективному извлечению доступного азота из почвы. [19] Азот, зафиксированный в биомассе промежуточных культур, высвобождается обратно в почву, как только товарная культура вносится в качестве зеленого удобрения или иным образом начинает разлагаться.
Примером использования зеленого удобрения является Нигерия, где было обнаружено, что покровная культура Mucuna pruriens (бархатная фасоль) увеличивает доступность фосфора в почве после того, как фермер применяет фосфоритную руду. [20]
Покровные культуры также могут улучшить качество почвы за счет увеличения уровня органического вещества почвы за счет ввода биомассы покровных культур с течением времени. Увеличение содержания органического вещества в почве улучшает структуру почвы , а также способность почвы удерживать воду и питательные вещества и буферизовать ее. [21] Это также может привести к увеличению секвестрации углерода в почве , что было предложено в качестве стратегии, помогающей компенсировать рост уровня углекислого газа в атмосфере. [22] [23] [24]
Качество почвы управляется для создания оптимальных условий для процветания сельскохозяйственных культур. Основными факторами, влияющими на качество почвы, являются засоление почвы , pH , баланс микроорганизмов и предотвращение загрязнения почвы . Отмечено, что если качество почвы правильно управляется и поддерживается, оно формирует основу для здоровой и продуктивной среды. Можно спроектировать и управлять культурой, которая будет производить здоровую среду в течение довольно долгого времени. [25]
Уменьшая эрозию почвы, покровные культуры часто также снижают как скорость, так и количество воды, которая стекает с поля, что обычно представляет экологические риски для водных путей и экосистем ниже по течению. [26] Биомасса покровных культур действует как физический барьер между осадками и поверхностью почвы, позволяя каплям дождя постоянно просачиваться через почвенный профиль. Кроме того, как указано выше, рост корней покровных культур приводит к образованию почвенных пор, которые, в дополнение к улучшению среды обитания макрофауны почвы, обеспечивают пути для фильтрации воды через почвенный профиль, а не для ее стока с поля в виде поверхностного потока. С увеличением инфильтрации воды может быть улучшен потенциал для хранения почвенной воды и пополнения водоносных горизонтов. [27]
Непосредственно перед тем, как покровные культуры погибают (такими методами, как скашивание, вспашка, дискование, прокатка или применение гербицидов), они содержат большое количество влаги. Когда покровная культура вносится в почву или остается на поверхности почвы, она часто увеличивает влажность почвы. В агроэкосистемах, где воды для выращивания сельскохозяйственных культур не хватает, покровные культуры можно использовать в качестве мульчи для сохранения воды путем затенения и охлаждения поверхности почвы. Это уменьшает испарение почвенной влаги и помогает сохранить питательные вещества в почве. [28]
Густые насаждения покровных культур часто хорошо конкурируют с сорняками в период роста покровных культур и могут помешать большинству проросших семян сорняков завершить свой жизненный цикл и размножиться. Если покровную культуру прижать к поверхности почвы, а не внести в почву в качестве зеленого удобрения после прекращения ее роста, она может образовать почти непроницаемый мат. Это резко снижает светопропускание семян сорняков, что во многих случаях снижает скорость прорастания семян сорняков. [29] Более того, даже когда семена сорняков прорастают, они часто исчерпывают запасенную энергию для роста, прежде чем наберут необходимую структурную емкость, чтобы прорваться через слой мульчи покровной культуры . Это часто называют эффектом удушения покровной культуры . [30]
Некоторые покровные культуры подавляют сорняки как во время роста, так и после отмирания. [31] Во время роста эти покровные культуры активно конкурируют с сорняками за доступное пространство, свет и питательные вещества, а после отмирания они подавляют следующую волну сорняков, образуя слой мульчи на поверхности почвы. [32] Например, исследователи обнаружили, что при использовании Melilotus officinalis (желтый донник) в качестве покровной культуры в улучшенной системе парования (где период парования намеренно улучшается с помощью различных методов управления, включая посадку покровных культур), биомасса сорняков составляла всего 1–12 % от общей биомассы на корню в конце вегетационного периода покровной культуры. [31] Кроме того, после прекращения использования покровной культуры остатки желтого донника подавляли сорняки до уровней на 75–97 % ниже, чем в системах парования (без желтого донника).
В дополнение к конкурентному или физическому подавлению сорняков, некоторые покровные культуры, как известно, подавляют сорняки посредством аллелопатии . [33] [34] Это происходит, когда определенные биохимические соединения покровных культур деградируют, которые оказываются токсичными для или подавляют прорастание семян других видов растений. Некоторые хорошо известные примеры аллелопатических покровных культур: Secale cereale (рожь), Vicia villosa (вика мохнатая), Trifolium pratense (красный клевер), Sorghum bicolor (сорго-суданская трава) и виды семейства Brassicaceae , в частности, горчица . [35] В одном исследовании было обнаружено, что остатки покровных культур ржи обеспечивали от 80% до 95% контроля широколиственных сорняков раннего сезона при использовании в качестве мульчи во время производства различных товарных культур, таких как соя , табак , кукуруза и подсолнечник . [36] В целом, покровные культуры не должны конкурировать с товарными культурами, поскольку их можно выращивать и убирать в начале сезона, до того, как укоренятся другие культуры. [32]
В исследовании 2010 года, опубликованном Службой сельскохозяйственных исследований (ARS), [37] ученые изучили, как нормы высева ржи и схемы посадки влияют на урожайность покровной культуры. Результаты показывают, что посадка большего количества фунтов ржи на акр увеличивает урожайность покровной культуры, а также уменьшает количество сорняков. То же самое было верно, когда ученые тестировали нормы высева бобовых и овса; более высокая плотность семян, посаженных на акр, уменьшает количество сорняков и увеличивает урожайность бобовых и овса. Схемы посадки, которые состояли либо из традиционных рядов, либо из решетчатых схем, по-видимому, не оказали существенного влияния на урожайность покровной культуры или на урожайность сорняков в любой из покровных культур. Ученые ARS пришли к выводу, что повышенные нормы высева могут быть эффективным методом борьбы с сорняками. [38]
Лаборатория устойчивых систем земледелия Корнелльского университета опубликовала исследование в мае 2023 года, изучающее эффективность чувствительной ко времени посадки и стратегической связи вариантов покровных культур с филогенетически схожими товарными культурами. Главный исследователь, Уриэль Меналлед, обнаружил, что если покровные и товарные культуры высаживать в соответствии с результатами его исследования, фермеры могут уменьшить рост сорняков до 99%. Исследование предоставляет фермерам комплексную основу для определения покровных культур, которые лучше всего подойдут для их существующих севооборотов. В целом, результаты этого исследования подтверждают понимание того, что филогенетическое родство можно использовать для значительного подавления роста сорняков. [39]
Точно так же, как аллелопатические свойства покровных культур могут подавлять сорняки, они также могут прерывать циклы болезней и сокращать популяции бактериальных и грибковых заболеваний [40] и паразитических нематод. [41] [42] Виды семейства Brassicaceae , такие как горчица, широко продемонстрировали способность подавлять популяции грибковых заболеваний посредством высвобождения токсичных химических веществ естественного происхождения во время деградации глюкозинолатных соединений в тканях их растительных клеток. [43]
Некоторые покровные культуры используются в качестве так называемых «ловушек», чтобы отвлечь вредителей от ценных культур и направить их к более благоприятной среде обитания для вредителей. [44] Зоны ловушек могут быть установлены внутри культур, на фермах или в ландшафтах. Во многих случаях ловушечная культура выращивается в тот же сезон, что и производимая продовольственная культура. Ограниченную площадь, занимаемую этими ловушечными культурами, можно обработать пестицидом, как только вредители будут привлечены к ловушке в достаточно большом количестве, чтобы сократить популяцию вредителей. В некоторых органических системах фермеры проезжают по ловушечным культурам с помощью большого вакуумного орудия, чтобы физически стянуть вредителей с растений и с поля. [45] Эта система была рекомендована для использования в качестве средства борьбы с клопами лигус при органическом производстве клубники. [46] Другим примером ловушечных культур являются устойчивые к нематодам белая горчица ( Sinapis alba ) и редис ( Raphanus sativus ) . Их можно выращивать после основной (зерновой) культуры и ловить нематод, например, свекловичную цистообразующую нематоду [47] [48] и колумбийскую галловую нематоду. [49] При выращивании нематоды вылупляются и привлекаются корнями. После попадания в корни они не могут размножаться в корне из-за сверхчувствительной реакции сопротивления растения. Следовательно, популяция нематод значительно сокращается, на 70–99% в зависимости от вида и времени выращивания.
Другие покровные культуры используются для привлечения естественных хищников вредителей путем имитации элементов их среды обитания. Это форма биологического контроля, известная как расширение среды обитания, но достигаемая с использованием покровных культур. [50] Результаты о связи между наличием покровных культур и динамикой популяции хищников-вредителей были неоднозначными, что указывает на необходимость подробной информации о конкретных типах покровных культур и методах управления для наилучшего дополнения данной комплексной стратегии борьбы с вредителями . Например, известно, что хищный клещ Euseius tularensis (Congdon) помогает контролировать вредных цитрусовых трипсов в цитрусовых садах Центральной Калифорнии. Исследователи обнаружили, что посадка нескольких различных бобовых покровных культур (таких как фасоль, вика мохнатая, новозеландский белый клевер и австрийский озимый горошек) обеспечивала достаточное количество пыльцы в качестве источника питания, чтобы вызвать сезонное увеличение популяций E. tularensis , что при хорошем исходе могло бы потенциально оказать достаточное давление хищников для сокращения популяций вредителей цитрусовых трипсов. [51]
Хотя покровные культуры обычно используются для выполнения одной из вышеописанных задач, они часто служат средой обитания для диких животных. Использование покровных культур добавляет по крайней мере еще одно измерение разнообразия растений к товарному севообороту. Поскольку покровная культура обычно не является ценной культурой, ее управление обычно менее интенсивно, что обеспечивает окно «мягкого» человеческого влияния на ферму. Это относительно «невмешательство» в сочетании с возросшей гетерогенностью на ферме, вызванной созданием покровных культур, увеличивает вероятность того, что будет развиваться более сложная трофическая структура для поддержки более высокого уровня разнообразия диких животных. [52]
В одном исследовании ученые сравнили видовой состав членистоногих и певчих птиц и использование полей на хлопковых полях с традиционным и покровным посевом на юге США. Поля с покровным посевом хлопка были засажены клевером, который оставляли расти между рядами хлопка в течение всего раннего сезона роста хлопка (полосное покровное выращивание). Во время сезона миграции и размножения они обнаружили, что плотность певчих птиц была в 7–20 раз выше на хлопковых полях с интегрированным покровным клевером, чем на обычных хлопковых полях. Численность и биомасса членистоногих также были выше на полях с клеверным покровом в течение большей части сезона размножения певчих птиц, что было связано с увеличением поставок цветочного нектара из клевера. Покровная культура клевера улучшила среду обитания певчих птиц, предоставив места укрытия и увеличив источник пищи из более высоких популяций членистоногих. [53]