Фитосанитарная роль конструирования агроэкосистем и агроландшафтов

17.12.2015

Негативные последствия одностороннего подхода к защите агроценозов хорошо известны. Уже ранние исследования показали исключительно высокое разнообразие видов патогенов, вредителей, нематод и сорняков, поражающих посевы сельскохозяйственных культур. В настоящее время существенный вред культивируемым растениям наносят примерно 1500 различных возбудителей болезней, более 10 тыс. видов насекомых, 1500 видов нематод и свыше 1800 видов сорняков. Подсчитано, например, что в США урожайность сельскохозяйственных культур может снижаться под влиянием 160 видов бактерий, 250 вирусов, 8000 патогенных грибов, 8000 насекомых и 2000 сорняков.
При специализации и крупномасштабной концентрации посевов создаются необычайно благоприятные условия для резервации фитофагов и их широкого расселения в оптимальные периоды. Так, в саду «Память Ильича» (Слободзейский район, бывшая Молдавская ССР), площадь которого составляла около 3000 га, были повсеместно распространены мучнистая роса, парша, вирусные заболевания, а сорта Джонатан, Ренет Симиренко, Рихард Делишес, Банан Зимний, Скурье и др. поражались мучнистой росой на 100%. Болезни истощают деревья, что, отрицательно сказываясь на закладке репродуктивных органов, усиливает периодичность плодоношения. По сравнению с садами обычных размеров фауна естественных опылителей, так же как и орнитофауна, в крупномасштабных садах значительно беднее.
Помимо негативного влияния на экологическое равновесие, пестициды могут снижать потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость агрофитоценозов. Так, обработка растений томата гидразидом малеиновой кислоты хотя и уменьшает поражение альтернариозом (Alternaria solani), однако ослабляет отток сахаров из листьев, усиливая их накопление в клетках листовой пластинки. Применение пестицидов нередко индуцирует проявление так называемых ятрогенных болезней растений. Например, обработка посевов сахарной свеклы цинебом или пироцином в 3-4 раза снижает развитие церкоспороза, но одновременно в 6-7 раз увеличивает пораженность растений мучнистой росой.
Применение гербицида симазина на посевах кукурузы способствует усилению развития ржавчины и ряда других заболеваний. При систематическом использовании гербицидов существенно изменяется видовой состав и численность сорной растительности в агроценозах и агроэкосистемах. При этом нередко ускоряется распространение новых, более вредоносных сорняков. Так, длительное (в течение 12-15 последних лет) внесение противозлакового гербицида ДХМ (дихлоральмочевины) на сахарной свекле в условиях Молдавии значительно усиливало засоренность посевов двудольными сорняками, что, в свою очередь, сопровождалось постоянным увеличением плотности корневой тли, маревой щитоноски и лугового мотылька. Постоянное применение гербицидов на посевах кукурузы хотя и позволяло очистить их от многих злаковых сорняков, приводило к широкому распространению ранее маловредоносного проса волосовидного. Все больший вред наносят и такие устойчивые к гербицидам виды сорняков, как лебеда и райграс французский, особенно при монокультуре кукурузы.
Аналогичные тенденции характерны и для вредных видов фауны. Например, в США, где насчитывается около 10 тыс. видов вредных насекомых и клещей, интенсивную борьбу ведут в основном со 100 видами, причем на борьбу с 10 из них затрачивается около 90% всех химических средств. По данным Дмитриева и Лобачева, стремительный рост численности примерно 50 вредных видов насекомых обусловлен тем, что применение инсектицидов резко снизило количество их естественных врагов, восстановление численности которых происходит обычно медленнее, чем популяций их жертв. Так, на посевах сахарной свеклы увеличилась вредоносность свекловичной нематоды и тли (уничтожающих до 30% урожая), тогда как хищные нематоды, ограничивающие численность вредных видов, не могут приспособиться к новым условиям и выпадают из состава фауны.
Как уже отмечалось, снижение устойчивости растений к абиотическим стрессорам обычно уменьшает их толерантность к биотическим стрессам, и наоборот. Например, применение высоких доз азотных удобрений на зерновых культурах, особенно при их загущении, способствует повышению восприимчивости растений к ложной мучнистой росе и бурой ржавчине. Показано, что и численность отдельных видов вредителей (злаковая тля, трипсы, цикадки) на посевах озимой пшеницы при внесении минеральных удобрений (N60P10K40) значительно возрастала.
Улучшение водного режима агроценозов за счет орошения благоприятствует размножению патогенов в такой же мере, как и росту растений. Вспашка, междурядная обработка и вегетативное размножение растений также значительно увеличивают распространение заболеваний, в т.ч. вирусных.
Усиление генетической «уязвимости» интенсивных агроэкосистем связано с уменьшением числа используемых видов растений и всевозрастающей генетической однородностью сортов и гибридов. Если в соответствии с археологическими данными на протяжении своей истории человек окультурил свыше 5 тыс. (а по некоторым данным и даже 10 тыс.) видов высших растений (из примерно 80 тыс. потенциально пригодных для окультуривания), то в настоящее время большую часть своих потребностей в калориях и белке он удовлетворяет за счет возделывания 20-30 видов. Как справедливо отмечают Brown, Pariser, в древности пища была значительно разнообразнее по сравнению с продуктами питания населения цивилизованных стран, где весь кажущийся большим ассортимент представляет собой, по существу, многочисленные комбинации весьма ограниченного числа исходных пищевых продуктов.
Одомашнивание растений, применение агротехнических приемов их выращивания и селекция на качество нередко противоположных естественной эволюции растений вызвали глубокие изменения даже таких фундаментальных их свойств, как жизненные стратегии. Культурные растения, считает Миркин, в результате односторонней селекции представляют тип r, причем в наиболее утрированном виде, так как отбор шел не на число семян, а на их массу. Известно также, что параллельно эволюции жизненных стратегий культивируемых видов растений эволюционируют стратегии и их паразитов в направлении r-признаков, т.е. имеет место инвертированный эволюционный путь.
Главной причиной опустошительных эпифитотий на посевах пшеницы, овса, кукурузы, подсолнечника в 1950-1980 гг. явилось широкое распространение сортов и гибридов, характеризующихся высокой степенью ядерной и цитоплазматической однородности. Однако еще в 1920-х гг. высокоурожайные и генетически однотипные сорта пшеницы были поражены различными физиологическими расами стеблевой ржавчины на обширных площадях северной части Великих равнин США. При этом заражение стеблевой ржавчиной (расы 36, 38 и 49) широко возделываемого с 1927 г. сорта Marquis достигло масштаба эпифитотии. Введенный взамен новый сорт Ceres вскоре был атакован расой 56, распространение которой уже в 1935 г. стало повсеместным. Сорт Норе, сменивший Ceres, был практически уничтожен расой 15В. В 1953 г. стеблевая ржавчина охватила в США 65% всех посевов твердой пшеницы, а в 1954 г. - 75%, в результате чего было потеряно более 25% урожая. Аналогичная картина наблюдалась и на посевах овса из-за появления новых рас стеблевой и листовой ржавчины. Массовое заболевание в США кукурузы гельминтоспориозом в 1970 г. связано с тем, что почти 90% посевных площадей под этой культурой были заняты гибридами, полученными на основе линий с цитоплазматической мужской стерильностью типа Texas, которая оказалась исключительно восприимчивой к T-расе южного гельминтоспориоза. Эпифитотийный характер поражения генетически однородных посевов пшеницы и ячменя возбудителями мучнистой росы, ржавчины и пятнистости листьев имел место в ФРГ, где, например, в 1977 г. на долю трех сортов озимой пшеницы (Jubilar, Diplomat, Caribo) приходилось свыше 70% площадей, а генетически однотипные сорта яровой пшеницы занимали 96%. Практика показала, что наиболее эффективным средством предотвращения эпифитотий и панфитотий является увеличение генотипической вариабельности культивируемых видов и сортов растений, а также организация системы информации о появлении новых возбудителей болезней и вредителей в разных регионах мира, позволяющая своевременно начать упреждающую или преадаптивную селекцию.
Новые расы и штаммы патогенов не только наносят громадный экономический ущерб, но и резко сокращают срок использования районированных сортов и гибридов. Именно по этой причине в последние годы время жизни сорта обычно не превышает 4-5 лет, хотя для их создания обычно требуется 8-15 лет. Согласно оценкам, проведенным Duvick, средняя продолжительность «жизни» наиболее урожайных гибридов кукурузы в условиях США в 1980-х гг. составляла 7 лет, а сортов сои и пшеницы - 9 лет.
Ориентация на уменьшение генетического разнообразия агроэкосистем и применение все большего количества пестицидов позволяет добиться лишь кратковременного успеха, усугубляя ситуацию в целом. Нарушение экологического равновесия в техногенно-интенсивных агробиогеоценозах оказывается как бы «выгодным» вредным видам фауны и флоры, способным к более быстрому по сравнению с конкурирующими с ними полезными видами восстановлению численности своих популяций после обработки пестицидами. Широкое применение пестицидов и устойчивых к болезням и вредителям сортов создает общий фон, усиливающий темпы движущего естественного отбора в гетерогенных популяциях вредных видов, в результате чего некоторые из них получают массовое распространение.
С переходом к севооборотам с короткой ротацией и особенно к монокультуре существенно изменяется состав возбудителей болезней, вредных видов насекомых и сорняков. Так, по данным Diercks, насыщение севооборотов зерновыми колосовыми культурами в условиях ФРГ привело к значительному распространению таких сорняков, как лисохвост полевой, ромашка аптечная, горец вьюнковый, вьюнок полевой и др. Кроме того, все большую опасность в интенсивных агроценозах представляют: для зерновых - возбудители черной ножки (Pseudocercosporella herpotrichoides и Ophiobolusgraminis), карликовая головня озимой пшеницы (Tilletia controversà), гниль (Typhula) и галлообразующие нематоды (Heterodera avenaè); для кукурузы-пузырчатая головня (Ustilago maydis); рапса-рак рапса (Sclerotinia sclerotiorum) и кила капусты (Plasmodiophora brassicae); свеклы - нематоды (Heterodera schachtii и Ditylenchus dipsaci); картофеля - рак картофеля (Synchytrim endobioticum) и картофельная нематода (Heterodera rostochiensis); горошка - возбудители черной ножки и увядания (виды Fusarium, Ascochyta и Mycosphaerella). Причем растениями-хозяевами для указанных возбудителей болезней и вредителей являются не только культивируемые виды, но и сорняки.
В связи с рассматриваемым вопросом, необходимо подчеркнуть исключительную важность изучения влияния широкого применения пестицидов на биологическую активность почвы, включая микробиологические процессы, происходящие в ней. Показано, что масса почвенной микрофлоры (бактерии, водоросли и грибы) в поверхностном 15-сантиметровом слое пашни составляет более 20 т/га сухого вещества, а структура почвенного сообщества представлена микробиотой (водоросли, грибы, бактерии, актиномицеты), мезобиотой и макробиотой. По данным Мишустина, в 1 г хорошо окультуренной почвы содержится до 2 млрд бактериальных спор, 5 млн живых бактерий, 1 млн актиномицетов и 50 тыс. грибов, водорослей и простейших организмов, биомасса которых варьирует от 1 до 15 т/га. Разумеется, влияние микроорганизмов определяется не их массой, а реакционноспособной поверхностью, составляющей 300-500 га на 1 га земельной площади. При этом гетеротрофные микроорганизмы восстанавливают ассимилированный растениями углерод и поставляют им связанный азот, а динамика содержания гумуса в почве четко коррелирует с активностью микроорганизмов.
Особого внимания заслуживает возможность негативного влияния высоких доз пестицидов и некоторых форм удобрений на функционирование микоризных систем растений, поскольку большинство сельскохозяйственных культур (зерновые, бобовые, картофель) относятся к числу микотрофных, т.е. для них характерен симбиоз корней и мицелия гриба (исключение - люпин и крестоцветные виды). Причем степень развития микоризы зависит не только от вида растений, но и сорта. Так, у некоторых сортов пшеницы она выше, чем у других, а сама микоризация растений при высоком уровне обеспеченности питательными веществами дает прирост урожая на 14-20%. Согласно обобщению Gianinazzi-Pearson, после заражения растений грибами-микоризообразователями у растения-хозяина улучшаются фосфорное и азотное питание, а также поглощение микроэлементов и воды, усиливается толерантность к тяжелым металлам и кальцию, стимулируется биологическая фиксация атмосферного азота. Показано, что микоризные растения более конкурентоспособны по сравнению с немикоризными.
При конструировании агроценозов и агроэкосистем необходимо учитывать и влияние культивируемых видов растений на протозойную фауну в почве. Так, по данным Гельцера, из ризосферы кукурузы было выделено 55 видов простейших, картофеля - 16, гороха - 5, ржи - 3 вида. Способность корневых систем растений аккумулировать многочисленную и разнообразную по видовому составу фауну протестов проявлялась наиболее заметно на почвах, бедных органическими веществами. В работах Иванова, Рахтеенко и др. было установлено, что между отдельными растениями существует обмен корневыми выделениями, который, в свою очередь, влияет на микроорганизмы ризосфер. Отмечается также селективное влияние растений на видовой состав простейших в ризосфере.
В числе негативных последствий широкого применения пестицидов - опасность загрязнения окружающей среды и продуктов питания. Хотя в настоящее время для получения каждого нового пестицида изучается 3-15 тыс. химических соединений и созданы пестициды с нормой расхода 10-50 г на 1 га, многие из них обладают высокой устойчивостью к детоксикации, что обычно приводит к их накоплению (биоаккумуляции) и концентрации в живых организмах. Последняя особенно опасна, поскольку канцерогенный эффект хронической токсичности может проявляться и спустя 10-20 лет.