Введение

Сельскохозяйственная практика смены культур

Севооборот – это практика выращивания последовательности различных культур на одной и той же площади в течение нескольких вегетационных сезонов. Этот прием снижает зависимость культур от определенного набора питательных веществ, уменьшает давление вредителей и сорняков, а также вероятность развития устойчивых к ним популяций. Выращивание одной и той же культуры на одном и том же месте в течение многих лет подряд, известное как монокультура, постепенно истощает почву в отношении определенных питательных веществ и способствует развитию конкурентоспособных популяций вредителей и сорняков. Без сбалансированного использования питательных веществ и разнообразия сообществ вредителей и сорняков, продуктивность монокультур сильно зависит от внешних ресурсов, которые могут нанести вред плодородию почвы. Напротив, правильно спланированный севооборот может снизить потребность в синтетических удобрениях и гербицидах за счет более эффективного использования экосистемных услуг, предоставляемых разнообразными культурами. Кроме того, севооборот улучшает структуру почвы и содержание органического вещества, что уменьшает эрозию и повышает устойчивость агроэкосистемы.

История

Фермеры давно осознали, что подходящие севообороты, такие как посев яровых культур для кормления скота вместо зерновых для потребления человеком, позволяют восстанавливать или поддерживать плодородие почв. Древние земледельцы Ближнего Востока практиковали севооборот уже в 6000 году до нашей эры, чередуя посевы бобовых и злаковых культур.

Системы с двумя полями

При двухпольной севосмене половина земли засевалась в течение года, а другая половина оставалась под паром. Затем, в следующем году, эти два поля менялись местами. В Китае как двухпольная, так и трехпольная системы использовались с периода Восточной Чжоу.

Трехполевые системы

Со времен Карла Великого (умершего в 814 году) европейские фермеры перешли от двухпольной системы земледелия к трехпольной. Эта система сохранялась до XX века. Доступная земля делилась на три участка. На одном участке осенью сеяли рожь или озимую пшеницу, а затем ячмень или овес; на втором – бобовые культуры, такие как горох, чечевица или фасоль; а третий участок оставляли под паром. Эти три поля чередовали таким образом, что каждый участок отдыхал и оставался под паром раз в три года. При двухпольной системе в любой год засевалось только половина земли. Новая трехпольная система позволяла засевать две трети земли, что потенциально приводило к большему урожаю. Однако, влияние дополнительных культур было важнее простого увеличения объемов производства. Поскольку весенние культуры в основном состояли из бобовых, которые фиксируют азот, необходимый растениям для синтеза белков, это улучшило питание населения Северной Европы.

Современные разработки

Джордж Вашингтон Карвер (1860-е – 1943) изучал методы севооборота в Соединенных Штатах, обучая южных фермеров чередовать культуры, истощающие почву, такие как хлопок, с культурами, обогащающими почву, такими как арахис и горох. В период "зеленой революции" середины XX века в развитых странах севооборот уступил место практике пополнения химических веществ в почве посредством поверхностного внесения удобрений, например, нитрата аммония или мочевины, а также регулированию pH почвы с помощью извести. Эти методы были направлены на повышение урожайности, подготовку почвы для специализированных культур и снижение потерь и неэффективности за счет упрощения посадки, сбора урожая и орошения.

Рядовые культуры

Многие культуры, критически важные для рынка, такие как овощи, являются рядовыми (то есть выращиваются плотными рядами). Поскольку значительная часть почвы вокруг растений подвергается разрушению под воздействием дождей и техники, поля с рядовыми культурами испытывают более быстрое разложение органического вещества микроорганизмами, что приводит к уменьшению количества питательных веществ для последующих растений. Кроме того, у бобовых растений мощный стержневой корень, который глубоко проникает в почву, поднимая ее и улучшая структуру и водопоглощение.

Травы и зерновые

Зерновые и злаковые культуры часто используются в качестве покровных растений благодаря многочисленным преимуществам, которые они обеспечивают для качества и структуры почвы. Разветвленная и глубоко проникающая корневая система придает окружающему грунту прочную структуру и обеспечивает значительный объем биомассы для органического вещества почвы. Злаки и зерновые культуры играют ключевую роль в борьбе с сорняками, конкурируя с нежелательной растительностью за пространство и питательные вещества в почве.

Включение скота

Введение скота позволяет наиболее эффективно использовать основные травы и покровные культуры; скот (через навоз) способен распределять питательные вещества из этих культур по всей почве, а не выносить питательные вещества с фермы при продаже сена.

Поликультура

Поликультурные системы, такие как смешанные посадки или совместные посевы, обеспечивают большее разнообразие и сложность в течение одного сезона или севооборота. Примером может служить система "Три сестры" – совместное выращивание кукурузы с вьющимися бобами и тыквой или кабачками. В этой системе бобы обогащают почву азотом, кукуруза служит опорой для бобов и защищает тыкву от сквош-бородов, а тыква создает почвопокровный слой, подавляющий сорняки, и отпугивает енотов, любящих кукурузу. В "Стандарте практики севооборота" для Национальной органической программы, согласно Кодексу федеральных правил США, раздел §205.205, указано, что фермеры обязаны внедрять севооборот, который поддерживает или наращивает содержание органического вещества в почве, способствует борьбе с вредителями, управляет и сохраняет питательные вещества, а также защищает от эрозии. Производители многолетних культур, не подвергающихся севообороту, могут использовать другие методы, такие как сидераты, для поддержания здоровья почвы. Некоторые исследования показывают, что севооборот в органических системах обеспечивает более высокую доступность питательных веществ по сравнению с традиционными методами, поскольку органические практики реже подавляют полезные микроорганизмы в органическом веществе почвы. В то время как многократные посевы и смешанные посадки используют многие из тех же принципов, что и севооборот, они не удовлетворяют требованиям НОП.

Задержка углерода

Смена посевов значительно увеличивает содержание органического углерода (ОУК) в почве, являющегося основным компонентом органического вещества почвы. Углерод, наряду с водородом и кислородом, – макроэлемент, необходимый для растений. Особенно эффективны разнообразные севообороты, охватывающие длительные периоды времени, в то время как нарушение почвенной структуры (например, при вспашке) приводит к экспоненциальному снижению уровня ОУК. Помимо повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, секвестрация атмосферного углерода имеет важное значение для замедления изменения климата за счет удаления углекислого газа из атмосферы.

Закрепление азота

Ротации могут обогащать почву питательными веществами. Бобовые, растения семейства Fabaceae, имеют на корнях клубеньки, содержащие азотфиксирующие бактерии, называемые ризобиями. В процессе, называемом симбиотической фиксацией азота, бактерии ризобии используют питательные вещества и воду, предоставляемые растением, для преобразования атмосферного азота в аммиак, который затем превращается в органическое соединение, которое растение может использовать в качестве источника азота. Поэтому с точки зрения сельского хозяйства целесообразно чередовать их с зерновыми (семейство Poaceae) и другими растениями, нуждающимися в нитратах. Количество азота, поступающего в распоряжение растений, зависит от таких факторов, как вид бобовых, эффективность бактерий ризобии, состояние почвы и доступность элементов, необходимых для питания растений.

Борьба с болезнетворными организмами и вредителями

Севооборот также используется для борьбы с вредителями и болезнями, которые могут со временем накапливаться в почве. Смена культур в определенной последовательности снижает численность вредителей за счет (1) нарушения их жизненных циклов и (2) разрушения среды их обитания. Эта система имеет преимущества по сравнению с другими распространенными методами борьбы с сорняками, такими как обработка почвы. Обработка почвы предназначена для подавления роста сорняков путем переворачивания слоев почвы; однако это приводит к обратному эффекту – обнажению семян сорняков, которые могли быть погребены, и заглублению ценных семян сельскохозяйственных культур. При севообороте количество жизнеспособных семян сорняков в почве уменьшается благодаря сокращению их популяции. Помимо негативного влияния на качество и урожайность культур, сорняки могут замедлить процесс уборки урожая. Сорняки снижают эффективность работы фермеров во время уборки, поскольку такие сорняки, как вьюнок и пырей, могут запутываться в сельскохозяйственной технике, приводя к прерывистому процессу уборки.

Сокращение эрозии почв

Смена посевов может значительно уменьшить количество почвы, теряемой в результате водной эрозии. В районах, сильно подверженных эрозии, методы управления хозяйством, такие как нулевая и минимальная обработка почвы, могут быть дополнены конкретными методами севооборота для снижения воздействия капель дождя, отрыва частиц почвы, переноса осадка, поверхностного стока и потери почвы. Защита от потери почвы максимальна при использовании методов севооборота, оставляющих наибольшее количество растительных остатков (остатков растений после уборки урожая) на поверхности почвы. Почвенный покров из растительных остатков, контактирующий с почвой, минимизирует водную эрозию за счет снижения скорости поверхностного стока, энергии потока и, следовательно, способности воды отрывать и переносить осадок. Эрозия почвы и образование корки препятствуют разрушению и отрыву почвенных агрегатов, что приводит к закупорке макропор, снижению инфильтрации и увеличению стока. Это значительно повышает устойчивость почв к эрозии и неблагоприятным воздействиям. При разложении кормовых культур образуются связующие вещества, действующие как клей, склеивающие частицы почвы и формирующие агрегаты. Формирование почвенных агрегатов важно для борьбы с эрозией, поскольку они лучше противостоят воздействию капель дождя и водной эрозии. Почвенные агрегаты также снижают ветровую эрозию, поскольку они представляют собой более крупные частицы и более устойчивы к истиранию при обработке почвы. Влияние севооборота на борьбу с эрозией варьируется в зависимости от климата. В регионах с относительно стабильными климатическими условиями, где предполагаются годовые уровни осадков и температуры, жесткий севооборот может обеспечить достаточный рост растений и почвенный покров. В регионах с менее предсказуемыми климатическими условиями, где возможны неожиданные периоды дождей и засухи, необходим более гибкий подход к почвенному покрову посредством севооборота. Система посева по возможности способствует обеспечению достаточного почвенного покрова в этих неустойчивых климатических условиях. В системе посева по возможности культуры выращиваются, когда в почве достаточно влаги и есть надежный срок посева. Эта система посева, вероятно, обеспечит лучший почвенный покров, чем жесткий севооборот, поскольку посевы проводятся только в оптимальных условиях, в то время как жесткие системы не обязательно высеваются в лучших доступных условиях. Севооборот также влияет на сроки и продолжительность периода залежи. Это очень важно, поскольку в зависимости от климата конкретного региона поле может быть наиболее уязвимо к эрозии именно в период залежи. Эффективное управление залежью является важной частью снижения эрозии в системе севооборота. Нулевая обработка почвы – это основополагающая практика управления, способствующая сохранению растительных остатков при длительных незапланированных периодах залежи, когда посев культур невозможен.

Вызовы

В то время как севооборот требует значительного планирования, выбор культур должен учитывать ряд постоянных условий (тип почвы, рельеф, климат и орошение), а также условия, которые могут существенно меняться из года в год (погода, рынок, наличие рабочей силы). Поэтому нецелесообразно планировать посевы на годы вперед. Неправильная реализация плана севооборота может привести к дисбалансу в составе питательных веществ почвы или накоплению патогенов, поражающих важные культуры. Последствия неверного севооборота могут проявиться спустя годы даже у опытных почвоведов и потребуют не меньше времени на исправление. В практическом применении севооборота существует множество сложностей. Например, сидераты из бобовых могут спровоцировать нашествие улиток или слизней, а разложение сидератов иногда может угнетать рост других культур.