Севооборот - Crop rotation

Севооборот - это практика выращивания на одной и той же территории ряда различных культур в течение ряда вегетационных сезонов . Это снижает зависимость от одного набора питательных веществ, снижает давление вредителей и сорняков, а также снижает вероятность развития устойчивых вредителей и сорняков.

Выращивание одной и той же культуры на одном и том же месте в течение многих лет подряд, известное как монокультура , постепенно истощает почву определенными питательными веществами и приводит к отбору высококонкурентных сообществ вредителей и сорняков. Без сбалансированного использования питательных веществ и диверсификации сообществ вредителей и сорняков продуктивность монокультур в значительной степени зависит от внешних факторов. И наоборот, хорошо продуманный севооборот может снизить потребность в синтетических удобрениях и гербицидах за счет более эффективного использования экосистемных услуг от разнообразных культур. Кроме того, севооборот может улучшить структуру почвы и улучшить содержание органических веществ , что снижает эрозию и повышает устойчивость сельскохозяйственных систем.

История

Земледельцы давно осознали, что подходящие севообороты, такие как посев яровых культур для домашнего скота вместо зерновых для потребления человеком, позволяют восстанавливать или поддерживать продуктивные почвы. Древние ближневосточные фермеры практиковали севооборот в 6000 году до нашей эры, не понимая химии, поочередно сажая бобовые и злаки . В Библии, глава 25 книги Левит наставляет израильтян соблюдать « субботу на земле ». Каждый седьмой год они не обрабатывали, не подрезали и даже не контролировали насекомых.

Двухполевые системы

При двухпольном севообороте половина земли была засеяна за год, а другая половина лежала под паром . Затем, в следующем году, эти два поля поменяли местами. В Китае система с двумя и тремя полями использовалась с периода Восточной Чжоу . Со времен Карла Великого (умер в 814 г.) фермеры в Европе перешли от двухпольного севооборота к трехпольному.

Трехпольные системы

С конца средневековья до 20-го века европейские фермеры практиковали ротацию из трех полей , когда доступные земли делились на три участка. Одна часть была засеяна осенью рожью или озимой пшеницей , затем яровым овсом или ячменем ; вторая секция выращивала такие культуры, как горох, чечевица или бобы; а третье поле осталось под паром. Три поля были чередованы таким образом, чтобы каждые три года одно из полей оставалось под паром. В системе с двумя полями, если у кого-то есть в общей сложности 600 акров (2,4 км ² ) плодородной земли, можно засеять только 300 акров. При новой системе севооборота с тремя полями можно было засеять (и, следовательно, собрать) 400 акров. Но дополнительный урожай имел более значительный эффект, чем просто количественная урожайность. Поскольку яровые культуры были в основном бобовыми, они улучшили общее питание жителей Северной Европы. Примеры трехлетнего севооборота - Хлопок - Пажитник, Сорго - Пшеница, Сахарный тростник (3 года) Арахис - Голубиный горох, Сахарный тростник, Мунг - Пшеница (3 года) Падди - Горох, Саннхемп, Сахарный тростник (3 года) Сорго - Голубиный горох, пар - пшеница, кунжут - льняное семя (3 года). Сорго - горох, сахарный тростник, ратун (3 года).

Вращения с четырьмя полями

Фермеры в регионе Ваасланд (на территории современной Северной Бельгии) первыми внедрили севооборот с четырьмя полями в начале 16 века, а британский агроном Чарльз Таунсенд (1674–1738) популяризировал эту систему в 18 веке. Последовательность из четырех культур ( пшеница , репа , ячмень и клевер ) включала кормовую культуру и пастбищную культуру, что позволяло выращивать домашний скот круглый год. Четырехпольный севооборот стал ключевым событием Британской сельскохозяйственной революции . Чередование пахотных и лей иногда называют лей-сельским хозяйством .

Современные разработки

Джордж Вашингтон Карвер (1860–1943) изучал методы севооборота в Соединенных Штатах , обучая южных фермеров чередовать истощающие почву культуры, такие как хлопок, с такими обогащающими почву культурами, как арахис и горох .

В Зеленой революции в середине 20-го века , традиционная практика севооборота уступила в некоторых частях мира к практике дополняющего химическим удобрений в почву через подкормку с удобрениями , добавляя (например) нитрат аммония или мочевина и восстановление pH почвы с помощью извести . Такая практика была нацелена на повышение урожайности, подготовку почвы для выращивания специальных культур и сокращение отходов и неэффективности за счет упрощения посадки , сбора урожая и орошения .

Выбор культуры

Предварительную оценку взаимосвязей между культурами можно найти в том, как каждая культура: (1) способствует содержанию органических веществ (ПОВ) в почве , (2) обеспечивает борьбу с вредителями , (3) управляет дефицитом или избытком питательных веществ, (4) каким образом вносит свой вклад (5) скрещивание с другими культурами для получения гибридного потомства и (6) воздействие на окружающие трофические сети и полевые экосистемы.

Выбор культуры часто связан с целью, которую фермер пытается достичь с помощью севооборота, например, борьба с сорняками , увеличение доступного азота в почве, борьба с эрозией или увеличение структуры почвы и биомассы, и это лишь некоторые из них. При обсуждении севооборотов культуры классифицируются по-разному в зависимости от того, какое качество оценивается: по семействам, по потребностям / выгодам в питательных веществах и / или по рентабельности (т. Е. Товарные культуры по сравнению с покровными культурами). Например, уделение должного внимания семейству растений имеет важное значение для борьбы с вредителями и патогенами. Однако многие фермеры успешно управляют севооборотом, планируя последовательность и покровные культуры вокруг желаемых товарных культур. Ниже приводится упрощенная классификация, основанная на качестве и назначении урожая.

Рядовые культуры

Многие культуры, которые имеют решающее значение для рынка, такие как овощи , являются пропашными культурами (то есть выращиваются в тесных рядах). Хотя эти культуры часто являются наиболее прибыльными для фермеров, они требуют более высоких затрат на почву. У пропашных культур обычно низкая биомасса и неглубокие корни: это означает, что растение вносит мало пожнивных остатков в окружающую почву и оказывает ограниченное влияние на структуру. Поскольку большая часть почвы вокруг растений подвергается разрушению из-за дождя и движения транспорта, поля с пропашными культурами быстрее разрушают органические вещества микробами, оставляя меньше питательных веществ для будущих растений.

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 продуктивностью.

Бобовые

Большое преимущество севооборота заключается в взаимосвязи азотфиксирующих культур и азотных культур. Бобовые, такие как люцерна и клевер, собирают доступный азот из атмосферы и хранят его в клубеньках на своей корневой структуре. Когда растение собирается, биомасса несобранных корней разрушается, делая накопленный азот доступным для будущих культур.

Кроме того, у бобовых есть тяжелые стержневые корни, которые зарываются глубоко в землю, поднимая почву для лучшего рыхления и поглощения воды.

Травы и злаки

Зерновые и травы являются частыми покровными культурами из-за множества преимуществ, которые они обеспечивают для качества и структуры почвы. Плотные и широко распространенные корневые системы придают обширную структуру окружающей почве и обеспечивают значительную биомассу для почвенного органического вещества .

Травы и злаки играют ключевую роль в борьбе с сорняками, поскольку они конкурируют с нежелательными растениями за почвенное пространство и питательные вещества.

Зеленые удобрения

Сидеральные удобрения - это культура, которую смешивают с почвой. В качестве сидерата можно использовать как азотфиксирующие бобовые, так и поглотители питательных веществ, такие как травы. Зеленые удобрения бобовых культур являются отличным источником азота, особенно для органических систем, однако биомасса бобовых культур не способствует сохранению органического вещества почвы, как травы.

Планирование ротации

При планировании севооборота необходимо учитывать множество факторов. Планирование эффективного севооборота требует взвешивания фиксированных и изменяющихся производственных условий: рынка, размера фермы, предложения рабочей силы, климата, типа почвы, методов выращивания и т. Д. Кроме того, севооборот должен учитывать, в каких условиях одна культура покинет почву для следующей культуры. и как одну культуру можно засеять другой культурой. Например, азотфиксирующая культура, такая как бобовые, всегда должна предшествовать азотистощающей; аналогичным образом культура с низким содержанием остатков (т. е. культура с низкой биомассой) должна быть компенсирована покровной культурой с высоким содержанием биомассы, такой как смесь злаков и бобовых культур.

Нет никаких ограничений на количество культур, которые можно использовать в севообороте, или количество времени, которое требуется для завершения севооборота. Решения о ротации принимаются за годы до, сезоны или даже в последнюю минуту, когда появляется возможность увеличить прибыль или улучшить качество почвы.

Реализация

Системы севооборота могут быть обогащены влиянием других практик, таких как добавление домашнего скота и навоза, совмещение или многократное выращивание культур , и это обычное явление в системах органического земледелия.

Включение домашнего скота

Разведение домашнего скота позволяет наиболее эффективно использовать важнейшие дерновые и покровные культуры ; домашний скот (через навоз ) может распределять питательные вещества этих культур по всей почве, а не удалять питательные вещества с фермы за счет продажи сена.

Смешанное земледелие или практика выращивания сельскохозяйственных культур с использованием домашнего скота могут помочь в управлении урожаем в севообороте и круговороте питательных веществ. Растительные остатки служат кормом для животных, а животные - навозом для пополнения запасов питательных веществ и тягловой силы. Эти процессы способствуют внутреннему круговороту питательных веществ и сводят к минимуму потребность в синтетических удобрениях и крупномасштабном оборудовании. В качестве дополнительной выгоды крупный рогатый скот, овцы и / или козы дают молоко и могут выступать в качестве товарной культуры во времена экономических трудностей.

Intercropping

Множественные системы посевов , такие как совмещение или компаньон , предлагают большее разнообразие и сложность в пределах одного сезона или севооборота. Примером посадки-компаньона являются посадки трех сестер , посев кукурузы с бобами и сквош или тыквы. В этой системе бобы обеспечивают азот; кукуруза служит опорой для бобов и «экраном» от мотылька из кабачка; виноградная тыква защищает от сорняков навес и отпугивает голодных по кукурузе енотов.

Двойное выращивание является обычным явлением, 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, пшеница). Это выгодно для небольших хозяйств, которые часто не могут позволить себе оставлять покровные культуры для пополнения почвы на длительные периоды времени, в отличие от более крупных хозяйств. Когда на небольших фермах внедряется несколько культур, эти системы могут максимизировать выгоды от севооборота на имеющихся земельных ресурсах.

Органическое земледелие

Севооборот является обязательной практикой в США для хозяйств, желающих получить органическую сертификацию . В «Стандарте практики севооборота» Национальной программы по органическому производству в соответствии с разделом §205.205 Кодекса федеральных нормативных актов США говорится:

Фермеры должны внедрять севооборот, который поддерживает или наращивает органическое вещество почвы, работает для борьбы с вредителями, управляет и сохраняет питательные вещества и защищает от эрозии. Производители многолетних культур, которые не подвергаются севообороту, могут использовать другие методы, такие как покровные культуры, для поддержания здоровья почвы .

Помимо снижения потребности во вводимых ресурсах (за счет борьбы с вредителями и сорняками и увеличения количества доступных питательных веществ) севооборот помогает производителям, выращивающим органические продукты, увеличить количество биоразнообразия на своих фермах. Биоразнообразие также является требованием органической сертификации, однако нет никаких правил, регулирующих или усиливающих этот стандарт. Увеличение биоразнообразия сельскохозяйственных культур благотворно влияет на окружающую экосистему и может содержать большее разнообразие фауны, насекомых и полезных микроорганизмов в почве. Некоторые исследования указывают на повышенную доступность питательных веществ от севооборота в органических системах по сравнению с традиционными методами, поскольку органические методы с меньшей вероятностью подавляют полезные микробы в органическом веществе почвы.

Хотя при многократном выращивании и совмещении культур используются многие из тех же принципов, что и севооборот, они не удовлетворяют требованиям NOP .

Преимущества

Агрономы описывают преимущества урожая севооборотов как «эффект севооборота». Есть много преимуществ ротационных систем. Факторы, связанные с увеличением, в основном, связаны с уменьшением негативных факторов монокультурных систем земледелия. В частности, улучшенное питание; снижение стресса от вредителей, патогенов и сорняков; и улучшенная структура почвы в некоторых случаях коррелировала с благоприятным эффектом вращения.

Другие преимущества систем ротационного земледелия включают преимущества в себестоимости. Общие финансовые риски более широко распространены на более разнообразное производство сельскохозяйственных культур и / или животноводства. Меньше полагаются на покупные ресурсы, и со временем культуры могут поддерживать производственные цели с меньшими затратами. Это в сочетании с более высокой краткосрочной и долгосрочной урожайностью делает севооборот мощным инструментом для улучшения сельскохозяйственных систем.

Органическое вещество почвы

Использование различных видов в севообороте позволяет увеличить содержание почвенного органического вещества (ПОВ), улучшить структуру почвы и улучшить химическую и биологическую почвенную среду для сельскохозяйственных культур. Чем больше ПОВ, тем лучше инфильтрация и удержание воды, что обеспечивает повышенную засухоустойчивость и уменьшение эрозии.

Органическое вещество почвы представляет собой смесь разлагающегося материала биомассы с активными микроорганизмами . Севооборот по своей природе увеличивает воздействие биомассы дерна, сидератов и различных других растительных остатков. Уменьшение потребности в интенсивной обработке почвы при севообороте позволяет агрегации биомассы вести к большему удержанию и использованию питательных веществ, уменьшая потребность в дополнительных питательных веществах. При обработке почвы разрушение и окисление почвы создает менее благоприятную среду для разнообразия и размножения микроорганизмов в почве. 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 растениям значительно меньше питательных веществ; это верно, даже если количество биомассы, оставшейся в почве, может быть таким же.

Почвенные микроорганизмы также снижают активность патогенов и вредителей за счет конкуренции. Кроме того, растения производят корневые экссудаты и другие химические вещества, которые влияют на их почвенную среду, а также на среду, в которой они выращивают сорняки. Таким образом, севооборот позволяет повысить урожайность за счет наличия питательных веществ, а также уменьшить аллелопатию и конкурентную среду с сорняками.

Связывание углерода

Исследования показали, что севообороты значительно увеличивают содержание органического углерода (SOC) почвы , основного компонента почвенного органического вещества . Углерод, наряду с водородом и кислородом, является макроэлементом для растений. Очень разнообразные севообороты, охватывающие длительные периоды времени, показали, что они даже более эффективны в увеличении SOC, в то время как нарушения почвы (например, от обработки почвы) ответственны за экспоненциальное снижение уровней SOC. В Бразилии переход на методы нулевой обработки почвы в сочетании с интенсивным севооборотом показал, что уровень поглощения SOC составляет 0,41 тонны на гектар в год.

Помимо повышения урожайности сельскохозяйственных культур, связывание атмосферного углерода имеет большое значение для снижения темпов изменения климата за счет удаления углекислого газа из воздуха.

Фиксация азота

Чередование культур добавляет в почву питательные вещества. Бобовые , например растения семейства Fabaceae , имеют на корнях клубеньки, содержащие азотфиксирующие бактерии, называемые ризобиями . Во время процесса, называемого клубенькованием, бактерии ризобий 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 имеет смысл чередовать их со злаками (семейство Poaceae ) и другими растениями, требующими нитратов . Количество азота, доступного для растений, зависит от таких факторов, как вид бобовых, эффективность бактерий ризобий, почвенные условия и наличие элементов, необходимых для питания растений.

Борьба с патогенами и вредителями

Севооборот также используется для борьбы с вредителями и болезнями, которые со временем могут закрепиться в почве. Последовательная смена культур снижает уровень популяции вредителей за счет (1) прерывания жизненных циклов вредителей и (2) прерывания среды обитания вредителей. Растения одного таксономического семейства обычно имеют схожие вредители и патогены. Регулярно меняя посевы и оставляя почву занятой покровными культурами вместо залежи пара, циклы вредителей могут быть нарушены или ограничены, особенно циклы, которые выигрывают от перезимовки в остатках. Например, узловатая нематода представляет собой серьезную проблему для некоторых растений в теплом климате и на песчаных почвах, где она медленно накапливается в почве до высоких уровней и может серьезно повредить продуктивность растений из-за прекращения кровообращения в корнях растений. Выращивание культуры, которая не является хозяином для узловатой нематоды в течение одного сезона, значительно снижает уровень нематод в почве, что позволяет вырастить восприимчивую культуру в следующем сезоне без необходимости фумигации почвы .

Этот принцип особенно используется в органическом земледелии , где борьба с вредителями должна осуществляться без синтетических пестицидов.

Борьба с сорняками

Включение определенных культур, особенно покровных культур , в севообороты имеет особое значение для борьбы с сорняками . Эти культуры вытесняют сорняки за счет конкуренции. Кроме того, дерн и компост из покровных культур и сидератов замедляют рост сорняков, которые все еще могут проникать в почву, что дает культурам дополнительное конкурентное преимущество. Замедляя рост и распространение сорняков во время выращивания покровных культур, фермеры значительно сокращают присутствие сорняков для будущих культур, в том числе для низкорослых и пропашных культур, которые менее устойчивы к сорнякам. Таким образом, покровные культуры считаются консервационными культурами, потому что они защищают земли, находящиеся под паром, от зарастания сорняками.

Эта система имеет преимущества перед другими распространенными методами борьбы с сорняками, такими как обработка почвы . Обработка почвы предназначена для подавления роста сорняков путем переворачивания почвы; тем не менее, это имеет противодействующий эффект: обнажают семена сорняков, которые могли быть захоронены, и закапывают ценные семена сельскохозяйственных культур. При севообороте количество жизнеспособных семян в почве уменьшается за счет сокращения популяции сорняков.

Помимо отрицательного воздействия на качество урожая и урожайность, сорняки могут замедлить процесс уборки урожая. Сорняки снижают эффективность фермеров при уборке урожая, потому что такие сорняки, как вьюнок и горец, могут запутаться в оборудовании, что приведет к постоянному сбору урожая.

Предотвращение эрозии почвы

Севооборот может значительно снизить потери почвы в результате водной эрозии . В районах, которые сильно подвержены эрозии, методы управления хозяйством, такие как нулевая и уменьшенная обработка почвы, могут быть дополнены особыми методами севооборота для уменьшения воздействия дождевых капель, отложения наносов, переноса наносов , поверхностного стока и потери почвы.

Защита от потери почвы максимальна с помощью методов севооборота, которые оставляют наибольшую массу стерни (растительные остатки, оставшиеся после сбора урожая) на поверхности почвы. Стерневой покров в контакте с почвой сводит к минимуму эрозию от воды за счет снижения скорости наземного потока, силы потока и, таким образом, способности воды отделять и переносить отложения. Эрозия почвы и поляну предотвращают разрушение и отделение агрегатов почвы, что приводит к блокированию макропор, уменьшению инфильтрации и увеличению стока. Это значительно улучшает сопротивляемость почв периодам эрозии и стресса.

Когда кормовая культура разрушается, образуются вяжущие продукты, которые действуют как клей на почве, заставляя частицы слипаться и образовывать агрегаты. Образование агрегатов почвы важно для борьбы с эрозией, так как они лучше сопротивляются ударам дождевых капель и водной эрозии. Агрегаты почвы также уменьшают ветровую эрозию, поскольку представляют собой более крупные частицы и более устойчивы к истиранию при обработке почвы.

Влияние севооборота на борьбу с эрозией зависит от климата. В регионах с относительно постоянными климатическими условиями, где предполагается годовое количество осадков и уровни температуры, жесткие севообороты могут обеспечить достаточный рост растений и почвенный покров. В регионах, где климатические условия менее предсказуемы и могут возникать неожиданные периоды дождей и засухи, необходим более гибкий подход к почвенному покрову посредством севооборота. Система возделывания сельскохозяйственных культур обеспечивает адекватный почвенный покров в этих неустойчивых климатических условиях. В системе возможного возделывания культуры выращиваются, когда в почве достаточно воды и есть надежное окно для посева. Эта форма системы земледелия, вероятно, обеспечит лучший почвенный покров, чем жесткий севооборот, потому что культуры высеваются только в оптимальных условиях, в то время как жесткие системы не обязательно сеют в наилучших имеющихся условиях.

Севообороты также влияют на время и продолжительность обработки поля под паром. Это очень важно, потому что в зависимости от климата конкретного региона поле может быть наиболее уязвимым к эрозии, когда оно находится под паром. Эффективное управление паром - важная часть снижения эрозии в системе севооборота. Нулевая обработка почвы - это фундаментальная практика управления, которая способствует сохранению стерни при длительных незапланированных парах, когда посевы невозможно произвести. Такие методы управления, которые позволяют сохранить подходящий почвенный покров на территориях, находящихся под паром, в конечном итоге уменьшат потерю почвы. В недавнем исследовании, которое длилось десять лет, было обнаружено, что обычная озимая покровная культура после сбора урожая картофеля, такая как осенняя рожь, может снизить сток почвы на целых 43%, и это, как правило, наиболее питательная почва.

Биоразнообразие

Увеличение биоразнообразия сельскохозяйственных культур благотворно влияет на окружающую экосистему и может содержать большее разнообразие фауны, насекомых и полезных микроорганизмов в почве. Некоторые исследования указывают на повышенную доступность питательных веществ в результате севооборота 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, которые увеличивают поглощение питательных веществ растениями. Увеличение биоразнообразия также повышает устойчивость агроэкологических систем.

Производительность фермы

Севооборот способствует повышению урожайности за счет улучшения питания почвы. Требуя посадки и сбора разных культур в разное время, можно обрабатывать больше земли с использованием того же количества техники и рабочей силы.

Управление рисками

Различные культуры в севообороте могут снизить риски неблагоприятных погодных условий для отдельного фермера.

Вызовы

Хотя севооборот требует тщательного планирования, выбор культур должен учитывать ряд фиксированных условий (тип почвы, топография, климат и орошение) в дополнение к условиям, которые могут резко меняться из года в год (погода, рынок, рабочая сила). поставка). Таким образом, неразумно планировать посевы на годы вперед. Неправильное выполнение плана севооборота может привести к дисбалансу в составе питательных веществ почвы или накоплению патогенов, влияющих на важнейшие культуры. Последствия неправильного севооборота могут занять годы, прежде чем они станут очевидными даже для опытных почвоведов, и столько же времени потребуется для исправления.

Многие проблемы существуют в практике, связанной с севооборотом. Например, сидераты из бобовых культур могут привести к нашествию улиток или слизней, а гниение из зеленых удобрений может иногда подавлять рост других культур.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

Андерсон, Рэнди Л. (1 января 2005 г.). "Являются ли некоторые культуры синергичными по отношению к последующим культурам?" (PDF) . Агрономический журнал . 97 (1): 7–10. doi : 10.2134 / agronj2005.0007a (неактивен 31 мая 2021 г.).CS1 maint: DOI неактивен с мая 2021 г. ( ссылка )
Баллок, Д.Г. (1992). «Севооборот». Критические обзоры в науках о растениях . 11 (4): 309–326. DOI : 10.1080 / 07352689209382349 .
Фрэнсис, Чарльз А. (2003). «Достижения в разработке ресурсоэффективных систем земледелия». Журнал растениеводства . 8 (1–2): 15–32. DOI : 10.1300 / j144v08n01_02 .
Нидхэм, Джозеф (1984), Наука и цивилизация в Китае 6-2
Портер, Пол М .; Лауэр, Джозеф G .; Lueschen, William E .; Форд, Дж. Харлан; Ховерстад, Том Р .; Оплингер, Эдвард С .; Крукстон, Р. Кент (1997). «Окружающая среда влияет на эффект севооборота кукурузы и сои». Агрономический журнал . 89 (3): 442–448. DOI : 10,2134 / agronj1997.00021962008900030012x .
Белый, LT (1962). Средневековые технологии и социальные изменения . Издательство Оксфордского университета.

Languages

In other projects