В сельском хозяйстве покровными культурами называют растения, которые сажают 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 повысить микробную активность в почве, что положительно влияет на доступность азота , поглощение азота целевыми культурами и урожайность сельскохозяйственных культур . Покровными культурами могут быть внесезонные культуры, высаживаемые после сбора товарного урожая . Покровные культуры являются культурами-воспитателями , поскольку они повышают выживаемость основной собираемой культуры и часто выращиваются зимой. [1] [2] В Соединенных Штатах покровные культуры могут стоить до 35 долларов за акр. [3]
Хотя покровные культуры могут одновременно выполнять несколько функций в агроэкосистеме, их часто выращивают с единственной целью предотвращения эрозии почвы . Эрозия почвы – это процесс, который может непоправимо снизить продуктивную способность агроэкосистемы. Покровные культуры уменьшают потери почвы за счет улучшения структуры почвы и увеличения инфильтрации, защиты поверхности почвы, рассеивания энергии дождевых капель и уменьшения скорости движения воды по поверхности почвы. [4] Плотные насаждения покровных культур физически замедляют скорость осадков до того, как они коснутся поверхности почвы, предотвращая разбрызгивание почвы и эрозионный поверхностный сток . [5] Кроме того, обширные корневые сети покровных культур помогают закрепить почву на месте и увеличить ее пористость, создавая подходящие сети обитания для почвенной макрофауны. [6] Это сохраняет обогащение почвы на хорошем уровне в течение следующих нескольких лет.
Одним из основных применений покровных культур является повышение плодородия почвы. Эти виды покровных культур называются « зелеными удобрениями ». Они используются для регулирования ряда макро- и микроэлементов почвы . Из различных питательных веществ наибольшее внимание исследователей и фермеров уделяется влиянию покровных культур на управление азотом, поскольку азот часто является наиболее ограничивающим питательным веществом в растениеводстве.
Часто сидеральные культуры выращивают в течение определенного периода, а затем вспахивают до достижения полной зрелости, чтобы улучшить плодородие и качество почвы. Оставленные стебли защищают почву от размывания.
Сидеральные культуры обычно являются бобовыми , то есть относятся к семейству гороха Fabaceae . Это семейство уникально тем, что все виды, входящие в него, закладывают стручки, например фасоль, чечевица, люпин и люцерна . Бобовые покровные культуры обычно содержат много азота и часто могут обеспечить необходимое количество азота для растениеводства. В традиционном сельском хозяйстве этот азот обычно применяется в виде химических удобрений. В органическом сельском хозяйстве азот может принимать форму органических удобрений , компоста , семян покровных культур и фиксации бобовыми покровными культурами. [7] Это качество покровных культур называется восстановительной стоимостью удобрений. [8]
Еще одним уникальным свойством бобовых покровных культур является то, что они образуют симбиотические отношения с ризобиальными бактериями, обитающими в корневых клубеньках бобовых. На люпине клубеньки образуются почвенным микроорганизмом Bradyrhizobium sp. (Люпин). Брадиризобии встречаются в качестве микросимбионтов у других зернобобовых культур ( аргиролобиум , лотос , орнитопус , акация , люпин ) средиземноморского происхождения. Эти бактерии преобразуют биологически недоступный атмосферный азот ( N
2) до биологически доступного аммония ( NH+
4) посредством процесса биологической фиксации азота . В целом покровные культуры повышают микробную активность почвы, что положительно влияет на наличие азота в почве, поглощение азота целевыми культурами и урожайность сельскохозяйственных культур. [7]
До появления процесса Габера-Боша — энергоемкого метода, разработанного для промышленной фиксации азота и создания химических азотных удобрений, большая часть азота, поступающего в экосистемы, возникала за счет биологической фиксации азота. [9] Некоторые ученые полагают, что широко распространенная биологическая фиксация азота, достигаемая главным образом за счет использования покровных культур, является единственной альтернативой промышленной фиксации азота в попытке сохранить или увеличить будущие уровни производства продуктов питания. [10] [11] 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. [12] Такие широко распространенные воздействия на окружающую среду включают потери азотных удобрений в водные пути, что может привести к эвтрофикации (нагрузка питательными веществами) и последующей гипоксии (истощение кислорода) больших водоемов.
Примером этого является бассейн долины Миссисипи, где годы поступления азота из удобрений в водораздел в результате сельскохозяйственного производства привели к образованию ежегодной летней гипоксической «мертвой зоны» у Мексиканского залива , площадь которой в 2017 году достигла более 22 000 квадратных километров. [13] [14] Как следствие , экологическая сложность морской жизни в этой зоне уменьшается. [15]
Помимо внесения азота в агроэкосистемы посредством биологической фиксации азота, покровные культуры, известные как « промежуточные культуры », используются для сохранения и переработки уже присутствующего в почве азота. Промежуточные культуры поглощают излишки азота, оставшиеся от удобрений предыдущей культуры, предотвращая его потерю в результате выщелачивания [ 16] или газообразной денитрификации или улетучивания . [17]
Уловные культуры, как правило, представляют собой быстрорастущие однолетние виды злаков, приспособленные к эффективному удалению доступного азота из почвы. [18] Азот, зафиксированный в биомассе промежуточных культур, высвобождается обратно в почву, как только товарная культура вносится в качестве сидерата или иным образом начинает разлагаться.
Пример использования зеленых удобрений можно найти в Нигерии, где было обнаружено, что покровная культура Mucuna pruriens (бархатная фасоль) увеличивает доступность фосфора в почве после внесения фермером фосфоритов. [19]
Покровные культуры также могут улучшить качество почвы за счет увеличения уровня органического вещества в почве за счет поступления биомассы покровных культур с течением времени. Повышенное содержание органического вещества в почве улучшает ее структуру , а также способность удерживать воду и питательные вещества, а также буферную способность почвы. [20] Это также может привести к увеличению связывания углерода почвой , что пропагандируется как стратегия, помогающая компенсировать рост уровня углекислого газа в атмосфере. [21] [22] [23]
Качество почвы контролируется для создания оптимальных условий для процветания сельскохозяйственных культур. Основными факторами, влияющими на качество почвы, являются засоление почвы , pH , баланс микроорганизмов и предотвращение загрязнения почвы . Отмечается, что если качество почвы правильно управляется и поддерживается, оно формирует основу для здоровой и продуктивной окружающей среды. Можно спроектировать и выращивать урожай, который будет создавать здоровую окружающую среду в течение довольно долгого времени. [24]
Уменьшая эрозию почвы, покровные культуры часто также сокращают скорость и количество воды, стекающей с поля, что обычно представляет экологический риск для водных путей и экосистем ниже по течению. [25] Биомасса покровных культур действует как физический барьер между осадками и поверхностью почвы, позволяя дождевым каплям равномерно стекать вниз по почвенному профилю. Кроме того, как указывалось выше, рост корней покровных культур приводит к образованию почвенных пор, которые, помимо улучшения среды обитания почвенной макрофауны, обеспечивают пути для фильтрации воды через профиль почвы, а не стекания с поля в виде поверхностного стока. При увеличении инфильтрации воды можно улучшить потенциал хранения почвенной воды и пополнения водоносных горизонтов. [26]
Непосредственно перед тем, как покровные культуры погибнут (в результате таких методов, как скашивание, обработка почвы, дискование, прикатывание или применение гербицидов), они содержат большое количество влаги. Когда покровная культура заделывается в почву или остается на ее поверхности, это часто увеличивает влажность почвы. В агроэкосистемах, где воды для растениеводства не хватает, покровные культуры можно использовать в качестве мульчи для сохранения воды за счет затенения и охлаждения поверхности почвы. Это уменьшает испарение почвенной влаги и помогает сохранить питательные вещества почвы. [27]
Толстые 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 приплюснуть на поверхности почвы, а не внести в почву в качестве сидерата после прекращения ее роста, она может образовать почти непроницаемый коврик. Это резко снижает пропускание света семенами сорняков, что во многих случаях снижает всхожесть семян сорняков. [28] Более того, даже когда семена сорняков прорастают, у них часто заканчивается запасенная энергия для роста, прежде чем они создадут необходимую структурную способность, чтобы прорваться через слой мульчи покровных культур . Это часто называют эффектом подавления покровных культур . [29]
Некоторые покровные культуры подавляют сорняки как во время роста, так и после их гибели. [30] Во время роста эти покровные культуры активно конкурируют с сорняками за доступное пространство, свет и питательные вещества, а после гибели они подавляют следующий поток сорняков, образуя слой мульчи на поверхности почвы. [31] Например, исследователи обнаружили, что при использовании Melilotus officinalis (донника желтого) в качестве покровной культуры в улучшенной системе пара (где период пара намеренно улучшается с помощью любого количества различных методов управления, включая посадку покровных культур), Биомасса сорняков составляла лишь 1–12% от общей биомассы на корню в конце вегетационного периода покровных культур. [30] Кроме того, после прекращения покровных культур остатки донника желтого подавляли сорняки до уровня на 75–97% ниже, чем в системах пара (без желтого донника).
Известно, что в дополнение к конкурентному или физическому подавлению сорняков некоторые покровные культуры подавляют сорняки посредством аллелопатии . [32] [33] Это происходит, когда разлагаются определенные биохимические соединения покровных культур, которые оказываются токсичными для других видов растений или подавляют прорастание семян. Некоторыми хорошо известными примерами аллелопатических покровных культур являются Secale Cereale (рожь), Vicia villosa (вика мохнатая), Trifolium pratense (клевер красный), Sorghum bicolor (сорго-суданка) и виды семейства Brassicaceae , особенно горчица . [34] В одном исследовании было обнаружено, что остатки покровных культур ржи обеспечивают от 80% до 95% контроля над широколиственными сорняками раннего сезона при использовании в качестве мульчи при выращивании различных товарных культур, таких как соя , табак , кукуруза и подсолнечник . . [35] В целом, покровные культуры не должны конкурировать с товарными культурами, поскольку их можно выращивать и уничтожать в начале сезона, прежде чем появятся другие культуры. [31]
В исследовании 2010 года, опубликованном Службой сельскохозяйственных исследований (ARS), [36] ученые изучили, как нормы высева ржи и схемы посева влияют на производство покровных культур. Результаты показывают, что посадка большего количества ржи на акр увеличила урожайность покровной культуры, а также уменьшила количество сорняков. То же самое произошло, когда ученые проверяли нормы высева бобовых и овса; Более высокая плотность посева семян на акр уменьшила количество сорняков и увеличила урожайность бобовых и овса. Схема посева, которая состояла либо из традиционных рядов, либо из сетки, по-видимому, не оказала существенного влияния на урожайность покровных культур или на урожайность сорняков в обеих покровных культурах. Ученые ARS пришли к выводу, что увеличение нормы высева может быть эффективным методом борьбы с сорняками. [37]
Лаборатория систем устойчивого земледелия Корнеллского университета в мае 2023 года опубликовала исследование, в котором изучается эффективность своевременной посадки и стратегического сочетания вариантов покровных культур с филогенетически сходными товарными культурами. Главный исследователь Уриэль Меналлед обнаружил, что если высаживать покровные и товарные культуры в соответствии с результатами его исследования, фермеры могут снизить рост сорняков до 99%. Исследование предоставляет фермерам комплексную основу для определения покровных культур, которые лучше всего подходят для их существующих севооборотов. В целом, результаты этого исследования подтверждают понимание того, что филогенетическое родство можно использовать для значительного подавления роста сорняков. [38]
Точно так же, как аллелопатические свойства покровных культур могут подавлять сорняки, они также могут разрывать циклы заболеваний и сокращать популяции бактериальных и грибковых заболеваний [39] и паразитических нематод. [40] [41] Широко продемонстрировано, что виды семейства Brassicaceae , такие как горчица, подавляют популяции грибковых заболеваний за счет выделения встречающихся в природе токсичных химикатов во время разложения глюкозинолатных соединений в тканях растительных клеток. [42]
Некоторые покровные культуры используются как так называемые «культуры-ловушки», чтобы отвлечь вредителей от ценной культуры к тому, что вредитель считает более благоприятной средой обитания. [43] Посевные площади-ловушки могут быть созданы внутри посевов, на фермах или в ландшафтах. Во многих случаях ловушечная культура выращивается в тот же сезон, что и продовольственная культура. Ограниченную площадь, занимаемую этими культурами-ловушками, можно обработать пестицидом, как только вредители попадут в ловушку в достаточно большом количестве, чтобы сократить популяцию вредителей. В некоторых органических системах фермеры проезжают по ловушкам с помощью большого вакуумного орудия , чтобы физически удалить вредителей с растений и за пределы поля. [44] Эта система была рекомендована к использованию для борьбы с насекомыми-лигусами при производстве органической клубники. [45] Другим примером культур-ловушек является устойчивая к нематодам белая горчица ( Sinapis alba ) и редис ( Raphanus sativus ) . Их можно выращивать после основной (зерновой) культуры и ловить нематод, например, свекловичную нематоду [46] [47] и колумбийскую галловую нематоду. [48] При выращивании нематоды вылупляются и притягиваются к корням. Попадая в корни, они не могут размножаться в корне из-за сверхчувствительной реакции сопротивления растения. Таким образом, 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. [49] Результаты о взаимосвязи между наличием покровных культур и динамикой популяций хищников и вредителей неоднозначны, что указывает на необходимость получения подробной информации о конкретных типах покровных культур и методах управления, чтобы наилучшим образом дополнять данную комплексную стратегию борьбы с вредителями. Например, известно, что хищный клещ Euseius tularensis (Congdon) помогает бороться с вредителями цитрусовых трипсов в цитрусовых садах Центральной Калифорнии. Исследователи обнаружили, что посев нескольких различных покровных бобовых культур (таких как фасоль, вика шерстистая, новозеландский клевер белый и австрийский озимый горох) обеспечивает достаточное количество пыльцы в качестве источника питания, чтобы вызвать сезонное увеличение популяций E. tularensis , что с потенциально может оказать достаточное хищническое давление, чтобы сократить популяцию вредителей цитрусового трипса. [50]
Хотя покровные культуры обычно используются для достижения одной из вышеперечисленных целей, они часто служат средой обитания для диких животных. Использование покровных культур добавляет, по крайней мере, еще один аспект разнообразия растений к товарному севообороту. Поскольку покровная культура обычно не является ценной культурой, управление ею обычно менее интенсивное, что обеспечивает возможность «мягкого» влияния человека на ферму. Такое относительно невмешательство в управление в сочетании с возросшей внутрихозяйственной гетерогенностью, вызванной созданием покровных культур, увеличивает вероятность того, что разовьется более сложная трофическая структура для поддержания более высокого уровня разнообразия дикой природы. [51]
В одном исследовании исследователи сравнили видовой состав членистоногих и певчих птиц и их использование на хлопковых полях, возделываемых традиционным способом и покрытых культурами на юге Соединенных Штатов. Хлопковые поля, засеянные покровными культурами, были засажены клевером, который оставляли расти между рядами хлопка в течение всего начала сезона выращивания хлопка (полосное посевы). Во время сезона миграции и размножения они обнаружили, что плотность певчих птиц на хлопковых полях с интегрированным покровным клевером была в 7–20 раз выше, чем на обычных хлопковых полях. Численность и биомасса членистоногих также была выше на полях с покровом клевера на протяжении большей части сезона размножения певчих птиц, что объяснялось увеличением поступления цветочного нектара из клевера. Покровная культура клевера улучшила среду обитания певчих птиц, предоставив укрытия и увеличив источник пищи за счет высших популяций членистоногих. [52]