Севооборот — это практика выращивания ряда различных типов культур на одной территории в течение последовательности вегетационных периодов . Эта практика снижает зависимость культур от одного набора питательных веществ, вредителей и давления сорняков, а также вероятность развития устойчивых вредителей и сорняков.
Выращивание одной и той же культуры на одном месте в течение многих лет подряд, известное как монокультура , постепенно истощает почву определенными питательными веществами и выбирает как высококонкурентное сообщество вредителей, так и сорняков. Без балансировки использования питательных веществ и диверсификации сообществ вредителей и сорняков производительность монокультур сильно зависит от внешних факторов, которые могут быть вредны для плодородия почвы. И наоборот, хорошо продуманный севооборот может снизить потребность в синтетических удобрениях и гербицидах за счет лучшего использования экосистемных услуг от разнообразного набора культур. Кроме того, севооборот может улучшить структуру почвы и органическое вещество , что снижает эрозию и повышает устойчивость фермерской системы.
Фермеры давно поняли, что подходящие ротации, такие как посадка яровых культур для скота вместо зерновых для потребления человеком, позволяют восстановить или поддерживать плодородные почвы. Древние земледельцы Ближнего Востока практиковали ротацию культур еще в 6000 г. до н.э., попеременно высаживая бобовые и злаковые . [1] [2] [ нужен лучший источник ]
При двухпольном севообороте половина земли засевалась в течение года, а другая половина оставалась под паром . Затем, на следующий год, два поля менялись местами. В Китае как двухпольная, так и трехпольная системы использовались со времен Восточной Чжоу . [3]
С IX по XI век фермеры в Европе перешли от двухпольной системы к трехпольной . Эта система сохранялась до XX века. Доступная земля была разделена на три секции. Одна секция засевалась осенью рожью или озимой пшеницей , за ней следовали яровой овес или ячмень ; на второй секции выращивались такие культуры, как одна из бобовых , а именно горох, чечевица или фасоль; а третье поле оставалось под паром. Три поля чередовались таким образом, чтобы каждые три года одно из полей отдыхало и лежало под паром. При двухпольной системе в любой год засевалась только половина земли. При новой трехпольной системе засеивалось две трети земли, что потенциально давало больший урожай. Но дополнительные культуры имели более значительный эффект, чем просто количественная производительность. Поскольку яровые культуры в основном были бобовыми, которые фиксируют азот, необходимый растениям для производства белков , они увеличивали общее питание людей Европы. [4]
Фермеры в регионе Ваасланд (в современной северной Бельгии) стали пионерами четырехпольного севооборота в начале XVI века, а британский агроном Чарльз Таунсенд (1674–1738) популяризировал эту систему в XVIII веке. Последовательность из четырех культур ( пшеница , репа , ячмень и клевер ) включала кормовую культуру и пастбищную культуру, что позволяло разводить скот круглый год. Четырехпольный севооборот стал ключевым событием в Британской сельскохозяйственной революции . [5]
Джордж Вашингтон Карвер (1860-е годы–1943 годы) изучал методы севооборота в Соединенных Штатах , обучая фермеров Юга чередовать культуры, истощающие почву, такие как хлопок, с культурами, обогащающими почву, такими как арахис и горох . [6]
В Зеленой революции середины 20-го века севооборот уступил место в развитых странах практике дополнения химических вносимых в почву веществ путем подкормки удобрениями , добавления (например) аммиачной селитры или мочевины и восстановления pH почвы известью . Такие методы были направлены на повышение урожайности, подготовку почвы для специальных культур и сокращение отходов и неэффективности за счет упрощения посадки , сбора урожая и орошения .
Предварительную оценку взаимосвязей между культурами можно найти в том, как каждая культура: [7]
Выбор культуры часто связан с целью, которую фермер стремится достичь с помощью севооборота, которая может включать борьбу с сорняками , увеличение доступного азота в почве, контроль эрозии или увеличение структуры почвы и биомассы, и это лишь некоторые из них. [8] При обсуждении севооборотов культуры классифицируются по-разному в зависимости от того, какое качество оценивается: по семейству, по потребностям в питательных веществах/выгодам и/или по прибыльности (т. е. товарная культура по сравнению с покровной культурой ). [9] Например, уделение должного внимания семейству растений имеет важное значение для смягчения вредителей и патогенов. Однако многие фермеры успешно управляют севооборотами, планируя последовательность и покровные культуры вокруг желаемых товарных культур. [10] Ниже приводится упрощенная классификация, основанная на качестве и цели урожая.
Многие культуры, имеющие решающее значение для рынка, такие как овощи , являются пропашными культурами (то есть выращиваются плотными рядами). [9] Хотя эти культуры часто являются наиболее прибыльными для фермеров, они более обременительны для почвы. [9] Пропашные культуры, как правило, имеют низкую биомассу и поверхностные корни: это означает, что растение вносит мало остатков в окружающую почву и имеет ограниченное влияние на структуру. [11] Поскольку большая часть почвы вокруг растения подвергается разрушению из-за осадков и движения транспорта, поля с пропашными культурами испытывают более быстрое разложение органического вещества микробами, оставляя меньше питательных веществ для будущих растений. [11]
Короче говоря, хотя эти культуры могут быть прибыльными для фермы, они истощают питательные вещества. Существуют методы севооборота, чтобы найти баланс между краткосрочной прибыльностью и долгосрочной производительностью. [10]
Большое преимущество севооборота заключается в взаимосвязи азотфиксирующих культур с азоттребовательными культурами. Бобовые, такие как люцерна и клевер, собирают доступный азот из атмосферы и хранят его в клубеньках на своей корневой структуре. [12] Когда растение собирают, биомасса несобранных корней распадается, делая сохраненный азот доступным для будущих культур. [13]
Зерновые и травы часто используются в качестве покровных культур из-за многочисленных преимуществ, которые они предоставляют качеству и структуре почвы . Плотные и широко распространенные корневые системы обеспечивают обильную структуру окружающей почвы и обеспечивают 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, которая смешивается с почвой. Как азотфиксирующие бобовые, так и поглотители питательных веществ, такие как травы, могут использоваться в качестве зеленого удобрения. [12] Зеленое удобрение бобовых является отличным источником азота, особенно для органических систем, однако биомасса бобовых не способствует сохранению органического вещества почвы, как это делают травы. [12]
Существует множество факторов, которые необходимо учитывать при планировании севооборота. Планирование эффективного севооборота требует взвешивания фиксированных и изменяющихся производственных обстоятельств: рынок, размер фермы, предложение рабочей силы, климат, тип почвы, методы выращивания и т. д. [14] Более того, севооборот должен учитывать, в каком состоянии одна культура покинет почву для последующей культуры и как одна культура может быть засеяна другой культурой. [14] Например, азотфиксирующая культура, такая как бобовая, всегда должна предшествовать азотистощающей; аналогично, культура с низким содержанием остатков (т. е. культура с низкой биомассой) должна компенсироваться покровной культурой с высокой биомассой, такой как смесь трав и бобовых. [7]
Не существует ограничений на количество культур, которые можно использовать в севообороте, или на количество времени, которое требуется для завершения севооборота. [11] Решения о севооборотах принимаются за несколько лет, за сезоны или даже в последнюю минуту, когда появляется возможность увеличить прибыль или улучшить качество почвы. [10]
Системы севооборота могут быть обогащены другими практиками, такими как добавление скота и навоза, [15] и выращивание более одной культуры за раз на поле. Монокультура - это культура, выращиваемая сама по себе на поле. Поликультура включает в себя две или более культур, растущих в одном месте в одно и то же время. Севообороты могут применяться как к монокультурам, так и к поликультурам, что приводит к многочисленным способам увеличения сельскохозяйственного биоразнообразия (таблица). [16]
Введение скота позволяет наиболее эффективно использовать критически важные дерновые и покровные культуры ; скот (через навоз ) способен распределять питательные вещества из этих культур по всей почве, а не вывозить питательные вещества с фермы посредством продажи сена. [11]
Смешанное земледелие или практика выращивания сельскохозяйственных культур с включением скота может помочь управлять посевами в севообороте и круговороте питательных веществ. Пожнивные остатки обеспечивают корм для животных, в то время как животные обеспечивают навоз для пополнения питательных веществ растений и тягловой силы. Эти процессы способствуют внутреннему круговороту питательных веществ и сводят к минимуму потребность в синтетических удобрениях и крупногабаритной технике. В качестве дополнительного преимущества крупный рогатый скот, овцы и/или козы дают молоко и могут выступать в качестве товарной культуры во времена экономических трудностей. [17]
Системы поликультуры , такие как совмещение культур или сопутствующие посадки , предлагают больше разнообразия и сложности в течение одного сезона или ротации. Примером может служить « Три сестры» , совмещение посадки кукурузы с фасолью и тыквой. В этой системе бобы обеспечивают азот; кукуруза обеспечивает поддержку бобов и «экран» против тыквенного сверлильщика; тыква обеспечивает подавляющий сорняки полог и отпугивает енотов, жадных до кукурузы. [8]
Двойной сбор урожая распространен, когда две культуры, как правило, разных видов, выращиваются последовательно в один и тот же вегетационный период, или когда одна культура (например, овощ) выращивается непрерывно с покровной культурой (например, пшеницей). [7] Это выгодно для небольших ферм, которые часто не могут позволить себе оставлять покровные культуры для пополнения почвы в течение длительных периодов времени, как это могут сделать более крупные фермы. Когда на небольших фермах реализуется многократный сбор урожая, эти системы могут максимизировать выгоды от севооборота на имеющихся земельных ресурсах. [10]
Севооборот является обязательной практикой в Соединенных Штатах для ферм, желающих получить органическую сертификацию . [18] «Стандарт практики севооборота» для Национальной органической программы в соответствии с Кодексом федеральных правил США , раздел §205.205, гласит, что
Фермеры обязаны внедрять севооборот, который поддерживает или создает органическое вещество почвы, борется с вредителями, управляет и сохраняет питательные вещества и защищает от эрозии. Производители многолетних культур, которые не севооборотируют, могут использовать другие методы, такие как покровные культуры, для поддержания здоровья почвы . [11]
Помимо снижения потребности во вложениях (путем контроля вредителей и сорняков и увеличения доступных питательных веществ), севооборот помогает производителям органической продукции увеличить количество биоразнообразия на своих фермах. [11] Биоразнообразие также является требованием органической сертификации, однако не существует правил, регулирующих или усиливающих этот стандарт. [11] Увеличение биоразнообразия сельскохозяйственных культур оказывает благотворное влияние на окружающую экосистему и может стать средой обитания большего разнообразия фауны, насекомых [11] и полезных микроорганизмов в почве [11] , как обнаружили Макдэниел и др. 2014 г. и Лори и др. 2017 г. [19] Некоторые исследования указывают на повышенную доступность питательных веществ при севообороте в органических системах по сравнению с традиционными методами, поскольку органические методы с меньшей вероятностью подавляют полезные микробы в органическом веществе почвы. [20]
Хотя многократное выращивание культур и совмещение культур во многом опираются на те же принципы, что и севооборот, они не отвечают требованиям NOP . [11]
Агрономы описывают преимущества урожайности в чередующихся культурах как «эффект ротации». Системы ротации имеют множество преимуществ. Факторы, связанные с увеличением, в целом обусловлены смягчением негативных факторов монокультурных систем земледелия. В частности, было обнаружено, что улучшение питания; снижение стресса от вредителей, патогенов и сорняков; и улучшение структуры почвы в некоторых случаях коррелируют с полезными эффектами ротации.
Другие преимущества включают снижение себестоимости продукции. Общие финансовые риски более широко распределены по более разнообразному производству сельскохозяйственных культур и/или скота. Меньше зависимость от покупных ресурсов, и со временем сельскохозяйственные культуры могут поддерживать производственные цели с меньшими затратами. Это в сочетании с более высокими краткосрочными и долгосрочными урожаями делает севооборот мощным инструментом для улучшения сельскохозяйственных систем.
Использование различных видов в севообороте позволяет увеличить содержание органического вещества в почве (SOM), улучшить структуру почвы и улучшить химическую и биологическую почвенную среду для сельскохозяйственных культур. При большем количестве SOM улучшается инфильтрация и удержание воды, что обеспечивает повышенную устойчивость к засухе и снижение эрозии.
Органическое вещество почвы представляет собой смесь разлагающегося материала из биомассы с активными микроорганизмами . Севооборот по своей природе увеличивает воздействие биомассы из дерна, зеленого удобрения и различных других растительных остатков. Снижение потребности в интенсивной обработке при севообороте позволяет агрегации биомассы приводить к большему удержанию и использованию питательных веществ, уменьшая потребность в дополнительных питательных веществах. [9] При обработке почвы разрушение и окисление почвы создают менее благоприятную среду для разнообразия и распространения микроорганизмов в почве. Именно эти микроорганизмы делают питательные вещества доступными для растений. Таким образом, там, где «активное» органическое вещество почвы является ключом к продуктивной почве, почва с низкой микробной активностью обеспечивает значительно меньше питательных веществ для растений; это верно, даже если количество биомассы, остающейся в почве, может быть одинаковым.
Почвенные микроорганизмы также снижают активность патогенов и вредителей посредством конкуренции. Кроме того, растения производят корневые экссудаты и другие химикаты, которые манипулируют их почвенной средой, а также средой сорняков. Таким образом, севооборот позволяет повысить урожайность за счет доступности питательных веществ, а также смягчить аллелопатию и конкурентную среду сорняков. [21]
Севообороты значительно увеличивают содержание органического углерода в почве (SOC) , основного компонента органического вещества почвы . [22] Углерод, наряду с водородом и кислородом, является макроэлементом для растений. Высокоразнообразные севообороты, охватывающие длительные периоды времени, оказались еще более эффективными в увеличении SOC, в то время как нарушения почвы (например, в результате обработки) ответственны за экспоненциальное снижение уровней SOC. [22] В Бразилии переход на методы нулевой обработки в сочетании с интенсивными севооборотами показал скорость секвестрации SOC в размере 0,41 тонны на гектар в год. [23]
Помимо повышения урожайности сельскохозяйственных культур, связывание атмосферного углерода имеет большое значение для замедления темпов изменения климата за счет удаления углекислого газа из воздуха.
Севообороты могут добавлять питательные вещества в почву. Бобовые , растения семейства Fabaceae , имеют клубеньки на корнях , которые содержат азотфиксирующие бактерии, называемые ризобиями . Во время процесса, называемого клубеньковым образованием, бактерии ризобии используют питательные вещества и воду, предоставляемые растением, для преобразования атмосферного азота в аммиак, который затем преобразуется в органическое соединение, которое растение может использовать в качестве источника азота. [24] Поэтому с точки зрения сельского хозяйства имеет смысл чередовать их со злаками (семейство Poaceae ) и другими растениями, которым требуются нитраты . Сколько азота доступно растениям, зависит от таких факторов, как вид бобовых, эффективность бактерий ризобии, почвенные условия и доступность элементов, необходимых для питания растений. [25]
Севооборот также используется для борьбы с вредителями и болезнями, которые могут со временем закрепиться в почве. Смена культур в последовательности снижает уровень популяции вредителей за счет (1) прерывания жизненных циклов вредителей и (2) прерывания среды обитания вредителей. [10] Растения в пределах одного таксономического семейства, как правило, имеют схожих вредителей и патогенов. Регулярная смена культур и сохранение почвы под покровными культурами вместо парования может нарушить или ограничить циклы вредителей, особенно циклы, которые извлекают выгоду из зимовки в остатках. [26] Например, корневая нематода является серьезной проблемой для некоторых растений в теплом климате и на песчаных почвах, где она медленно накапливается до высоких уровней в почве и может серьезно повредить продуктивности растений, перекрывая циркуляцию от корней растений. Выращивание культуры, которая не является хозяином для корневой нематоды в течение одного сезона, значительно снижает уровень нематоды в почве, что позволяет выращивать восприимчивую культуру в следующем сезоне без необходимости фумигации почвы .
Этот принцип особенно полезен в органическом земледелии , где борьба с вредителями должна осуществляться без использования синтетических пестицидов. [15]
Интеграция определенных культур, особенно покровных культур , в севообороты имеет особое значение для борьбы с сорняками . Эти культуры вытесняют сорняки посредством конкуренции. Кроме того, дерн и компост из покровных культур и зеленых удобрений замедляют рост тех сорняков, которые все еще способны пробиться через почву, что дает культурам дополнительное конкурентное преимущество. Замедляя рост и распространение сорняков во время выращивания покровных культур, фермеры значительно сокращают наличие сорняков для будущих культур, включая культуры с поверхностной корневой системой и пропашные культуры, которые менее устойчивы к сорнякам. Таким образом, покровные культуры считаются культурами сохранения, поскольку они защищают в противном случае залежные земли от зарастания сорняками. [26]
Эта система имеет преимущества по сравнению с другими распространенными методами борьбы с сорняками, такими как обработка почвы . Обработка почвы призвана подавлять рост сорняков путем переворачивания почвы; однако это имеет обратный эффект, обнажая семена сорняков, которые могли оказаться зарытыми, и закапывая ценные семена культур. При севообороте количество жизнеспособных семян в почве уменьшается за счет сокращения популяции сорняков.
Помимо негативного влияния на качество и урожайность, сорняки могут замедлить процесс сбора урожая. Сорняки снижают эффективность фермеров при сборе урожая, поскольку такие сорняки, как вьюнки и спорыш, могут запутаться в оборудовании, что приведет к остановке и остановке сбора урожая. [27]
Севооборот может значительно сократить количество почвы, потерянной из-за эрозии водой. В районах, которые сильно подвержены эрозии, методы управления фермерским хозяйством, такие как нулевая и сокращенная обработка почвы, могут быть дополнены определенными методами севооборота для уменьшения воздействия дождевых капель, отрыва отложений, переноса отложений , поверхностного стока и потери почвы. [28]
Защита от потери почвы максимизируется с помощью методов севооборота, которые оставляют наибольшую массу стерни (растительных остатков, оставшихся после сбора урожая) на поверхности почвы. Покрытие стерни, контактирующее с почвой, минимизирует эрозию от воды, снижая скорость потока по суше, мощность потока и, таким образом, способность воды отделять и переносить осадок. [29] Эрозия почвы и уплотнение предотвращают разрушение и отсоединение почвенных агрегатов, которые вызывают блокировку макропор, снижение инфильтрации и увеличение стока. [30] Это значительно повышает устойчивость почв, подвергающихся периодам эрозии и стресса.
Когда кормовая культура распадается, образуются связующие продукты, которые действуют как клей на почве, что заставляет частицы слипаться и образовывать агрегаты. [31] Образование почвенных агрегатов важно для контроля эрозии, 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. [32]
Влияние севооборота на контроль эрозии варьируется в зависимости от климата. В регионах с относительно постоянными климатическими условиями, где предполагается годовое количество осадков и уровень температуры, жесткие севообороты могут обеспечить достаточный рост растений и почвенный покров. В регионах, где климатические условия менее предсказуемы и могут возникнуть неожиданные периоды дождей и засухи, необходим более гибкий подход к почвенному покрову с помощью севооборота. Система посева по возможности способствует адекватному почвенному покрову в этих неустойчивых климатических условиях. [33] В системе посева по возможности урожай выращивается, когда почвенная вода достаточна и есть надежное окно для посева. Эта форма системы посева, вероятно, обеспечит лучший почвенный покров, чем жесткий севооборот, поскольку посевы производятся только при оптимальных условиях, тогда как жесткие системы не обязательно производятся при наилучших доступных условиях. [34]
Севообороты также влияют на сроки и продолжительность нахождения поля под паром. [35] Это очень важно, поскольку в зависимости от климата конкретного региона поле может быть наиболее уязвимым к эрозии, когда оно находится под паром. Эффективное управление паром является неотъемлемой частью снижения эрозии в системе севооборота. Нулевая обработка почвы является фундаментальной практикой управления, которая способствует сохранению стерни культур при более длительных незапланированных парах, когда культуры не могут быть посажены. [33] Такие методы управления, которые успешно сохраняют подходящий почвенный покров на территориях под паром, в конечном итоге уменьшат потери почвы. В недавнем исследовании, которое длилось десятилетие, было обнаружено, что обычная зимняя покровная культура после сбора картофеля, такая как озимая рожь, может сократить сток почвы на целых 43%, и это, как правило, самая питательная почва. [36]
Увеличение биоразнообразия сельскохозяйственных культур оказывает благотворное влияние на окружающую экосистему и может способствовать увеличению разнообразия фауны, насекомых [11] и полезных микроорганизмов в почве [11] , как обнаружили Макдэниел и др. 2014 г. и Лори и др. 2017 г. [19] Некоторые исследования указывают на повышенную доступность питательных веществ при севообороте в органических системах по сравнению с традиционными методами, поскольку органические методы с меньшей вероятностью подавляют полезные микробы в органическом веществе почвы, такие как арбускулярная микориза, которая увеличивает поглощение питательных веществ растениями. [20] Увеличение биоразнообразия также повышает устойчивость агроэкологических систем. [9]
Севооборот способствует повышению урожайности за счет улучшения питания почвы. Требуя посадки и сбора различных культур в разное время, можно обрабатывать больше земли с тем же количеством техники и рабочей силы.
Различные культуры в севообороте могут снизить риски неблагоприятных погодных условий для отдельного фермера. [37] [38]
В то время как севооборот требует тщательного планирования, выбор культур должен соответствовать ряду фиксированных условий (тип почвы, рельеф, климат и орошение) в дополнение к условиям, которые могут резко меняться из года в год (погода, рынок, предложение рабочей силы). [10] Таким образом, неразумно планировать посевы на годы вперед. Неправильная реализация плана севооборота может привести к дисбалансу в составе питательных веществ почвы или накоплению патогенов, влияющих на критически важную культуру. [10] Последствия неправильного севооборота могут длиться годами, чтобы стать очевидными даже для опытных почвоведов, и столько же времени может потребоваться для их исправления. [10]
Существует много проблем в практиках, связанных с севооборотом. Например, зеленое удобрение из бобовых может привести к вторжению улиток или слизней, а гниение зеленого удобрения может иногда подавлять рост других культур. [13]