НОВОСТИ

От урожайности - к рентабельности

ТЕГИ: no-till take-all аллеопатия Пердью рис-падди эффект урожайности монокультур

Р. Джеймс Кук, Вашингтон, США

Любая система посева характеризуется особенностями севооборота, а также видом или интенсивностью обработки почвы. Начиная с конца ХХ ст. в мировом земледелии превалирует тенденция специализации хозяйств на производстве 1-3 видов  зерновых культур, например, различных сортов пшеницы и ячменя, востребованных рынком, а также применение прямого посева более известного как система no-till, ориентированная на снижение затрат, сбережение и повышение плодородия почвы, на экономию времени и топлива. Применение глифосата, использование стойких к вредителям разновидностей сои, зерна, хлопка и канолы, а также прямой посев этих культур очень помогли в борьбе с сорняками и вредителями. Определенных успехов в борьбе с болезнетворными микроорганизмами удалось добиться благодаря генетике и селекции.

Доходы производителя напрямую зависят от внедрения в практику новаций и применения умелого агроменеджмента, направленного, в частности, на защиту корневых систем сельхозкультур с помощью бактерий, противостоящих болезнетворным микроорганизмам. Потенциально урожайность при no-till может быть ниже по сравнению с традиционными системами посева (чаще всего из-за фитозаболеваний). Но благодаря обилию органических веществ в почве и наличию достаточного количества влаги сторонникам прямого посева удается по максимуму использовать потенциал новых сортов и гибридов культурных растений, которые постоянно совершенствуются селекционерами в плане снижения рисков, связанных с использованием естественного отбора. Предполагается, что производительность и устойчивость конкретной системы посева зависит в первую очередь от применения длительного (3-летний цикл или более) и разнообразного севооборота. Под системой посева мы подразумеваем совокупность методов агроменеджмента и производимых генотипов зерновых культур, которые направлены не только на достижение желаемого экономического результата, на и рассчитаны на определенный экологический эффект. Агроменеджмент ориентирован на создание благоприятной среды для развития растений роста и обеспечение их питательными веществами и водой. Генотип растения предопределяет его способность противостоять негативным факторам (биотическим и абиотическим стрессам), а также обеспечивать его производительность в зависимости от факторов окружающей среды и уровня обеспечения питательными веществами и водой. И агроменеджмент, и генотипы используемых культур привязаны к конкретной местности. Например, высокие урожаи пшеницы в США связаны, в частности, с тем, что в зависимости от конкретной местности, требуемых результатов и применяемых методов агроменджмента используется около 1 000 разновидностей пшеницы.

Фото 1. От урожайности  - к рентабельности

Несмотря на то, что севооборот — дело выгодное, фермерские хозяйства, чтобы быть конкурентоспособными, должны ориентироваться на выращивание 2-3 видов зерновых культур. Многие ориентируются на выращивание монокультуры или зерновых одного подкласса, например, на разные сорта пшеницы и ячменя, востребованные рынком. Но экономическая эффективность от использования одной и той же сеялки, комбайна, инфраструктуры сбыта при монопроизводстве зерновых слишком повышает риск «поставить на карту все». Кроме того, чем больше вариантов применения будет найдено для таких культур, как кукуруза и соя (например, биотопливо), тем интенсивнее их будут выращивать наряду с монокультурами, что становится особенно актуальным в связи с сокращением посевных площадей в мире. Представьте, в США ежегодно засеваются 300 видами зерновых культур 300 млн. акров полей, из которых более двух третей (220 млн. акров) занято под три вида — кукурузу, сою и пшеницу. Двухпольные системы, например, соя — пшеница на юго-востоке США и Бразилии или пшеница — рис в Индии и Китае, принято называть термином «севооборот». Однако фермеры все еще практикуют посев каждой из этих культур на одном и том же поле из года в год.

На монокультивацию зерновых было наложено табу в основном по одной причине — слабый иммунитет к сорнякам, что естественно влечет за собой снижение урожайности. Чтобы стабилизировать урожай хотя бы на экономически выгодном уровне, необходимо применять высокие дозы пестицидов и активно заниматься повышением плодородия почвы.

Существуют классические, но недоказанные и необоснованные гипотезы снижения урожайности монокультур. Например, разные зерновые потребляют из почвы различные питательные вещества до тех пор, пока одно из них не исчерпается (при условии, что в данной местности выращивают разнообразные зерновые). Или еще одна версия: культура отравляет себя сама (allelopathy). В кон. ХК — нач. ХХ ст. во времена тотального снижения урожайности хлопка на юго-востоке Америки было очень популярным мнение, что почва «износилась» и «нуждается в отдыхе». Согласно еще одному утверждению, каждый урожай, снятый с поля, истощает плодородие почвы, восстановить которое можно только при помощи внесения удобрений (это не касается бобовых культур, связывающих азот). Кроме того, очень распространено предположение, что однолетние растения, которые сегодня промышленно выращивают аграрии, развились под воздействием разных факторов, в частности, способности к выживанию, если не процветанию, путем самопосева на одних и тех же участках из года в год.

Фото 2. От урожайности  - к рентабельности

Эти псевдодоказательства «эффекта урожайности монокультур», как ни странно, прочно въелись в сознание масс. Несмотря на то, что ученые давно пришли к выводу и доказали: урожаи монокультурных зерновых уменьшаются, поскольку в почве нарушается совокупность благоприятных для растения микрофлоры и микрофауны и в то же время постоянно растут популяции патогенных микроорганизмов.

Инфекции корня также ограничивают способность злаков конкурировать с сорняками. Поврежденный корень не поглощает имеющиеся в почве удобрения, и складывается впечатление, что она бедна питательными веществами.

Исключение из правила: самая урожайная монокультура в мире — рис-падди в Азии. При его выращивании ежегодно для борьбы с сорняками проводят затопление полей. Этот же агроприем позволяет просанировать почву от болезнетворных микроорганизмов.

Наряду с монокультивированием фермеры во всем мире снижают и даже полностью отказываются от вспахивания почвы (по экономическим и экологическим соображениям). Культура земледелия развивалась веками. Таким образом человечество пыталось избавиться от сорняков, от остатков предыдущего урожая и готовило землю к следующему посеву.

Прямой посев, более известный как no-till, экономит время, энергию и оборудование, позволяя при контроле сорняков в посевах однолетних культур использовать распылители. Сеялка, которая синхронно и точно помещает семя и удобрение в борозду за один проход по полю, заменяет плуги, культиваторы, диски, используемые в традиционном земледелии. В качестве экономической целесообразности украинские и американские производители приводят факт, что при прямом посеве пшеницы необходимо израсходовать 5 л/га дизельного топлива, а при традиционной системе земледелия с многократной обработкой почвы — 20 л/га. Более важным, чем просто четырехкратная экономия топлива и амортизация двигателя, является дополнительное время для проведения посевных работ и отсутствие необходимости использовать дополнительное оборудование.

В качестве дополнения экономической выгоды остатки предыдущего урожая остаются на поверхности почвы, что препятствует испарению влаги, предотвращает разрушение почвы из-за ветровой и водной эрозии, способствует накоплению углерода в почве, что в свою очередь благотворно влияет на органические вещества. Кстати, пожнивные остатки с семенами сорняков, оставленные на поверхности почвы, создают благоприятную среду обитания и пищу для птиц и других животных.

В экологическом плане система прямого посева создает эффект, близкий к естественным экосистемам: снижение рисков наводнений и засухи, очистка воды и воздуха, рециркуляция питательных веществ, защита биологической вариативности.

Североамериканское сельское хозяйство медленно, но уверенно развивалось в этом направлении, начиная с 1930-х годов.

Риски и опасности при использовании прямого посева 

Множество болезнетворных микроорганизмов растений используют растительные остатки зерновых культур как пищевую базу и трамплин для заражения следующего урожая. К ним относятся разнообразные паразиты с некротрофным видом питания, сохраняющиеся в отмерших тканях растений. Таким образом, при практиковании no-till их популяции попадают в идеальные условия: пожнивные остатки размещены на поверхности почвы и попадают под землю в последующем сезоне.

Кроме того, большинство насекомых-вредителей остаются в растительных остатках и наносят значительно больший вред, если остатки прошлогоднего урожая остаются на поверхности, чем если их закопать. Очевидное решение — более длительный севооборот: нужно дать почве больше времени, чтобы попавшие в нее болезнетворные микроорганизмы и насекомые-вредители вымерли из-за голода, естественного истощения или зимних заморозков, прежде чем провести очередной посев.

Даже интервал в 1 год, то есть 2-летний севооборот, может существенно очистить почву от вредителей. Но вредители могут приспособиться к севообороту. Под влиянием 1-годичного интервала при севообороте кукуруза — соя, который раньше использовался в качестве метода борьбы с корневым червем кукурузы, появился новый биотип вредителя с циклом жизни, рассчитанным на активизацию через год. Соответственно, вредитель способен бездействовать в год выращивания сои и доставит уйму неприятностей, когда на поле снова посеют кукурузу.

При использовании прямого посева значительно возрастает риск поражения корневой системы пшеницы. Это касается, в частности, таких трех таксономически разных, но экологически подобных болезней корней пшеницы (take-all — «забирающий все», см. далее), как корневые гнили, вызванные грибом Gaeu-mannomyces graminis, разновидностями гриба Pythium, грибов Rhizoctonia solani АГ 8 и Rhizoctonia oryzae. Дело в том, что более прохладный и влажный верхний шар почвы (где обитают болезнетворные микроорганизмы) увеличивается, если остатки предыдущего урожая пшеницы остаются на поверхности почвы. Холодная в глубине почва при посеве негативно сказывается на прорастании семян. Однако низкая температура при прорастании пшеницы повышает устойчивость растения к болезням корня.

Новая (невылежанная) солома пшеницы также служит источником доступного углерода и энергии для развития грибов Pythium. Но она не будет вредна молодым всходам пшеницы, как ранее предполагалось. Поскольку Pythium повсеместно присутствуют на посевных площадях, они являются постоянным объектом исследований и экспериментов, направленных на повышение эффективности растительных остатков и влияния холодной почвы на молодые всходы, а также других переменных воздействий на корневую гниль Pythium.

Из-за широкого диапазона носителей болезнетворных микроорганизмов при использовании севооборота для борьбы с Pythium и гнилью корня Rhizoctonia обязательно такое агромероприятие как «поле под паром».

Эксперимент с окуриванием почвы бромидом метила провели в штате Вашингтон, чтобы выяснить, насколько высокими могут быть урожаи при постоянном (монокультурном) прямом посеве чередующихся пшеницы и ячменя. Как оказалось, окуривание выгодно только для определенных, дорогостоящих культур, например, земляника в Калифорнии и помидоры во Флориде.

Селекция растений была весьма эффективной в борьбе с такими болезнетворными микроорганизмами, как ржавчина и грибки плесени, благодаря способности генов зерновых культур и родственных им видов сопротивляться этим микроорганизмам. Предпринятые селекционерами усилия были менее успешными при борьбе с некротрофными паразитами, находящимися в почве, остатках листьев, стеблей и соцветий, а также против насекомых-вредителей и совсем неэффективными против неспециализированных болезнетворных микроорганизмов корня. Кроме того, программы выведения новых сортов и гибридов растений для выращивания по no-till системе не были поддержаны. Вместо этого продолжалась селекция новых разновидностей семян для посева в условиях огородного типа с использованием 23-летнего севооборота. Наконец, в Америке появилось множество противников современных тенденций, ориентированных на сокращение или полный отказ от вспахивания и развитие современных вариантов зерновых севооборотов.

Фото 3. От урожайности  - к рентабельности

Куда движутся биотехнология и генная инженерия растений?

Чтобы создать стойкие к глифосату зерновые культуры, а именно, разновидности сои, кукурузы, канолы и хлопка, с целью синтеза 5-enol-pyruvlshikimate-3-phosphate используют измененный ген. Полученные таким образом сорта и гибриды зерновых устойчивы к европейскому древоточцу зерна, червю корня кукурузы и хлопковым червям семенной коробочки при использовании вариантов Вt гена бактерий Bacillius thu-ringiensis. В контексте интенсивного возделывания и прямого посева эти разработки — главное преимущество биотехнологии и генной инженерии растений в борьбе с вредителями.

Опрос, проведенный Центром информации университета Пердью, показал, что более 60% американских фермеров, выращивающих сою, верят, что использование стойких к глифосату разновидностей сои поможет сократить и даже полностью отказаться от разрушения почвенного покрова на их ферме. Хотя насекомые-вредители кукурузы и хлопка, с которыми борется Bt ген, являются проблемой и в традиционном земледелии, и в no-till, опасность от них потенциально возрастает при интенсификации возделывания этих зерновых культур в любой конкретно взятой местности. Подобно грибам ржавчины и множеству других грибковых болезнетворных микроорганизмов зерновых культур, насекомые-вредители теперь контролируются генетически — с помощью Bt гена. Это помогает агрофирмам соответствовать требованиям рынка и экологии, не беспокоиться за повреждение урожая насекомыми и позволяет существенно экономить средства на покупке инсектицидов.

Новые возможности биотехнологии и генной инженерии облегчают использование инородной зародышевой плазмы для повышения сопротивляемости растений. Например, ген RB недавно клонировали из Solanum bulbocas-tanum для борьбы с картофельным болезнетворным микроорганизмом Phytophthora infe-stans. Было доказано, что он прививает устойчивость ко всем известным видам P. infestans. Ген RB структурно подобен лейцину и повторяет обязательный участок нуклеотида (LRR—NBS) генов растения для опознания патогенных микроорганизмов и побуждения к сверхчувствительной защитной реакции, ограничивающей развитие и репродукцию вредителя.

Кроме того, создание генной карты и селекция на этой основе растений с определенными показателями стали важными инструментами выведения культур, стойких к грибковым болезнетворным микроорганизмам, обычно находящимся в пожнивных остатках стеблей, листьев и соцветий. Стойкость (чаще всего, частичная) достигается за счет целенаправленного генетического комбинирования наследственных черт. Однако почти ничего не было сделано, чтобы вывести сорта кукурузы, генетически устойчивые к неспециализированным болезнетворным микроорганизмам, поражающим корень, типа разновидностей Pythium и Rhizoctonia, которые из-за широкого диапазона растений-носителей наверняка будут зависеть от трансгенного повышения устойчивости.

Сообщения о сопротивляемости зерновых культур гнили корня, вызванной Rhizoctonia, благодаря трансгенному воздействию на ростки грибковой хитиназы (chitinases) свидетельствуют об определенном потенциале генетического контроля этого широко распространенного гриба. Но в настоящее время степень этого контроля, увы, слишком незначительна. Хотя, учитывая перспективы, которые обещает повышение продуктивности и устойчивости зерновых, используемых для получения пищи, волокна и топлива, нынешние тенденции, направленные на более интенсивную обработку, сокращение и отказ от вспашки, безусловно, должны развиваться с помощью биотехнологии и генной инженерии растений.

Take-all отступает, ключ к успеху зерновых монокультур

Take-all — термин, введенный австралийскими фермерами, для гриба Аscomycete Gaeumannomyces graminis (см. выше), поражающего корни пшеницы. В отличие от широкого диапазона носителей разновидностей Pythium и Rhizoctonia, диапазон носителя G. graminis ограничен пшеницей, ячменем и луговыми травами. Несмотря на быструю гибель при отсутствии переносчика, высокую вероятность погибнуть при 1-2 -летнем выращивании на зараженном поле, например, широколистного табака или овса, take all остается, бесспорно, в числе самых разрушительных болезней корней пшеницы. Объясняется это тем, что рынки севооборотных зерновых культур (кроме кукурузы и сои) относительно небольшие и быстро насыщаются по сравнению с глобальным рынком пшеницы.

Некоторые из наиболее успешных ранних высокоурожайных сортов пшеницы были выведены в Северной Европе в конце 40-50-х гг. ХХ ст. Take-all, развивающийся в прохладной и сырой почве Северной Европы, привлек большое внимание ученых, которые сосредоточились на борьбе с ним. Наблюдения и эксперименты, проведенные в Нидерландах и Великобритании, показали удивительные результаты: уровень зараженности take-all сначала серьезно возрос, например, для первых 3-4 или 5 последующих урожаев пшеницы, а затем понизился при продолжении выращивания пшеницы (или пшеница/ячмень) как монокультуры. Урожаи восстановились, хотя не полностью, по сравнению с уровнем, достигнутым при помощи севооборота. Герлах, изучая развитие болезни в освоенных почвах, доказал, что болезнетворный микроорганизм на ранее не возделываемых почвах, например, давно используемых пастбищах, становится чрезвычайно губительным при монокультивировании пшеницы. Однако со временем болезнь шла на убыль, поскольку изменившаяся микрофлора почвы начинала ее подавлять.

Формирование микробиотики почвы, подавляющей take-all на голландских посевах монокультуры пшеницы, подтвердилось практиками северо-запада Тихого океана, выращивающими на нетронутых пустынных почвах пшеницу как монокультуру с использованием мелиорации.

Для проверки гипотезы о возможности подавления take-all предшествующие 12 лет поле засевалось орошаемой пшеницей, не пораженной take-all, хотя болезнь прогрессировала в других областях региона. Почва смежного участка с естественной растительностью полыни была перенесена на участок фермы, где проводились исследования университетом штата Вашингтон, и смешана на глубине 15 см на участке размером 1,3:3 м. Посевной материал пшеницы был посеян вместе с содержащим патогенные микроорганизмы прививочным материалом.

В эксперимент также ввели два других вида почвы, представляющие местности с севооборотом и незасеянные участки на них. Как и в Нидерландах и Великобритании, почва и окружающая среда западного Вашингтона были благоприятными для take-all. Неудивительно, что болезнь поразила все экспериментальные поля в течение года (урожай 1969/70) вне зависимости от системы обработки почвы. В следующем году экспериментальный участок засеяли повторно (1970/71) пшеницей без использования дополнительного прививочного материала болезнетворного микроорганизма. Урожай полностью зависел от зараженных тканей предыдущего урожая. Вот и доказательство подавляющей передаваемой микробиоти-ки take-all: корни практически не инфицированы, пшеница нормально созрела в пределах участков с добавлением почвы, на которой 12 лет монокультивировалась пшеница. Количество внесенной почвы составляло только 0,5%.

Участки опять засеяли в течение третьего сезона (урожай 1971/72) без дальнейшей обработки. К тому времени снижение take-all наблюдалось на всех экспериментальных полях, независимо от обработки, проведенной 3 годами ранее.

Через 35 лет после проведения этих исследований у нас есть достоверные доказательства, указывающие на превалирующую роль обитающих в ризосфере бактерий (ризобактерии) таксона Pseudomonas fluorescens, которые способны производить антибиотические 2-4, di-acetylphlorogluci-nol (DAPG) в качестве агентов, ответственных за снижение take-all. Популяции DAPG, производящие P. Fluorescens, необходимые для подавления take-all, возникают естественным образом в ризосфере пшеницы, растущей в почве, где уже происходило падение уровня take-all. Интересно, что генотипы, доминирующие в популяции производителей DAPG в любой ризосфере, частично зависят от вида растения, длительности монокультивирования и географического местоположения участка.

DAPG — один из шести хорошо зарекомендовавших себя антибиотиков, продуцируемых флуоресцентными разновидностями Pseudomonas во всем мире. Остальные пять — pyrolueteorin, pyrrolnitrin, phenazi-nes, водородный цианид и viscosina-mide. Логично предположить, что каждая из популяций Pseudomonas, производящих антибиотики, содержит в себе генетически различающиеся подпопуляции, что связано со спецификой биологического контроля разных болезнетворных микроорганизмов почвы в разных зерновых культурах, а также с местными особенностями. Эти ризобактерии также повышают сопротивляемость растений, вырабатывая молекулы сидерофорез (siderophores) и лишая. Что еще интереснее, ризобактерии подавляют развитие болезни через индукцию системного сопротивления (ISR) патогенным микроорганизмам, которое зависит от регуляторных сигнальных функций жасмоновой кислоты (jasmonic asid).

Исследования показали, что мутанты растений Aгabidopsis либо неспособны накапливать жасмоновую кислоту, либо невосприимчивы к ней, либо чрезвычайно подвержены гнили корня Pythium по сравнению с функциональной регуляторной системой (на основе этой кислоты) у дикорастущих растений.

Pythium — наиболее распространенный патогенный микроорганизм, живущий в почвах всего мира. Самое губительное их воздействие — разрушение семян и подавление посевов. Грибы также опасны для здоровых корней растения, жизненно необходимых для усваивания неподвижных минеральных питательных веществ, например, фосфора.

Разновидности Pythium легко удаляются из почвы с помощью окуривания хлорпикрином или бромидом метила. Это известный способ, способствующий росту растений.

Стимулирование роста с помощью ризобактерий может быть удачным относительно не очень поврежденых Pythium корней. Автор и другие исследователи предложили, что отсутствие в пшенице генов, отвечающих за сопротивление к take-all, объясняется защитой, которую выполняют производящие DAPG ризобактерии, чье количество возрастает при монокультурном возделывании. Таким образом, не срабатывают селекционные механизмы развития сопротивляемости, что наблюдалось с болезнетворными микроорганизмами листьев. Хотя ризобактерии, ответственные за подавление болезней корня, представляют другой генетический ресурс для выведения зерновых, устойчивых к болезнетворным микроорганизмам, бороться с ними посредством севооборота, например, монокультивирования, или путем введения ризобактерий с семенами или другим посевным материалом — это в настоящее время самый выгодный вариант.

Повышение урожайности и устойчивости

Значительное повышение урожайности (но не обязательно устойчивости) в ХХ ст. является результатом не только появления множества разновидностей зерновых, но и улучшения методов и приемов агроменеджмента, необходимых для реализации потенциала новых разновидностей. Перемены в агроменеджменте, такие, например, как более ранняя или поздняя даты посева, большая интенсивность обработки почвы, могут снизить риск появления вредителей или болезней до того момента, пока будет выведена стойкая разновидность растения. В то же время изменения в агротехнологиях, направленные на повышение урожайности, например, внесение высоких доз азота, могут представлять новую опасность. Поэтому есть смысл подождать до появления новых разновидностей растений, способных противостоять этой опасности.

Безусловно, реализация потенциала урожайности новой разновидности растения требует новых подходов в агроменджменте. Недостаточное увеличение урожаев в местном масштабе в течение многих лет и даже десятилетий может объясняться длительным применением старых методов, например, той же нормы и сроков посева, севооборота, количества удобрений, а не нехваткой новых сортов.

Использование азотных удобрений, гербицидов, ирригации для выращивания зерновых кардинально увеличилось после Второй мировой войны. Однако для реализации высокого потенциала урожайности необходимо было дождаться появления гибридных семян, карликовых разновидностей пшеницы и риса с более жесткой соломой. Урожаи тогда достигли нового поразительного уровня, хотя потенциал, заложенный новыми система посева, все еще не был реализован полностью. Вместо этого зарегистрированные в 60-х гг. ХХ ст. высокие урожаи нередко зависели от появления новых болезней, вредителей и абиотичных стрессов. Преодоление этих опасностей повлекло за собой дальнейшее развитие агроменеджмента, включающее распространение химических методов защиты растений, изменение севооборотов и сроков посева, а позже и новых сортов с генетически привитым иммунитетом к вредителям и болезням.

Большинство фактов свидетельствует, что потенциал урожая при системе прямого посева семян значительно выше, чем у традиционного земледелия, из-за облегчения доступа воды, большего количества органики в почве и улучшенного кругооборота питательных веществ, хорошей рыхлости почвы, способствующей аэрации.

Действительно, максимальный потенциал урожая зерновых при no-till до конца не изучен и редко достигается на практике из-за новых опасностей биотических и абиотических стрессов. На американском северо-западе Тихого океана борьба с этими рисками при прямом посеве семян пшеницы повлекла за собой очередные изменения в агроменеджменте. Они включают в себя, во-первых, своевременное и эффективное уничтожение самосевных злаков — носителей болезнетворных микроорганизмов корня, которые прежде могли произрастать в период между урожаем одного зерна и посевом следующего. Во-вторых, размещение питательных веществ и особенно фосфора в пределах свободного доступа больных корней. В-третьих, небольшое взрыхление почвы в районе посевных полос.

Однако, даже если полной оптимизации методов агроменеджмента способствует полученный опыт и наличие необходимого оборудования, урожаи пшеницы представляют в среднем только 80% потенциала, достигаемого при окуривании почвы.

Раскрытие полного потенциала урожайности более продуктивных и жизнеспособных систем посева будет зависеть в итоге от дальнейшего развития зерновых сельхозкультур, включая более широкое применение и популяризацию их трансгенных вариантов.

ВИДЕО
СОБЫТИЯ