Стратегия адаптивно-интегрированной системы защиты агроценозов, агроэкосистем и агроландшафтов от вредных видов

17.12.2015

Адаптивная стратегия защиты агроценозов от вредителей, болезней и сорняков базируется на интегрированной системе, основными компонентами которой, наряду с химическими средствами, являются севооборот, широкое использование устойчивых сортов и гибридов, комплекс агротехнических мероприятий, конструирование экологически устойчивых агроценозов, агроэкосистем и агроландшафтов. При этом регулирование численности популяций вредных и полезных видов фауны и флоры рассматривается как составная часть системы управления агроэкосистемой в целом.
В последний период для защиты агроценозов и агроэкосистем от вредных видов все большее внимание уделяется их конструированию. Известно, что возрастающая биотическая гетерогенность экосистем ведет к их большей экологической устойчивости, а в условиях сельскохозяйственных угодий вспышки роста численности паразитов возникают чаще, чем в естественных сообществах. Так, в тропических лесах массового размножения вредных видов не происходит вообще. Совершенно противоположная ситуация складывается при монокультуре. В то же время, по данным Finch, Sharp, Haynes, например, покровные культуры («живая» мульча) улучшают структуру почвы и использование осадков (в т.ч. орошения), предупреждают эрозионные процессы, обогащают почву органическим веществом, способствуют сохранению полезных видов фауны (включая энтомофагов), улучшают микроклимат (в т.ч. Снижают температуру почвы). Причем за счет изменения видового состава покровных культур (из бобовых: люцерна, клевер, вика, донник, горох озимый; из злаковых: рожь, костер, райграс, мятлик) можно управлять численностью популяций полезных и вредных видов фауны и флоры. Особенно эффективным для этой цели оказывается использование смешанных посевов и сидератов. Показано, что подсев в междурядья капусты клевера ползучего и клевера лугового уменьшает поражение растения-хозяина капустной тлей благодаря увеличению численности хищных жужелиц; в смешанных посевах кукурузы и фасоли снижается поражение кукурузы цикадками, листоедом и совкой травянистой, занятие междурядий персикового сада земляникой уменьшает повреждение деревьев листоверткой; использование бобовых культур на зеленое удобрение снижает численность популяций грибов и нематод; подсев бобовых культур к кукурузе, капусте, томату подавляет сорняки.
Особого внимания при конструировании агроэкосистем заслуживают растения-репелленты, выделяющие отпугивающие насекомых вещества. Так, возделывание злаковых трав в посевах фасоли снижает их поражение цикадками. Перспективны и культуры-«ловушки». Например, для борьбы со свекловичной нематодой используют ранние посевы крестоцветных с последующей их запашкой. В условиях поликультуры нередко повышается устойчивость культивируемых растений к возбудителям болезней, вследствие меньших темпов накопления и распространения инокулюма и вирусов под влиянием микроклимата - изменения влажности, температуры, освещенности.
Конструирование агроэкосистемы по принципу севооборота, т.е. последовательного возделывания разных культур во времени и пространстве, оказывает решающее влияние не только на плодородие почвы, но и выживание фитопатогенов, нематод, насекомых, сорняков. В качестве действенного средства борьбы с вредными организмами издавна используют и разные способы обработки почвы. В этой связи необходимо учитывать, что переход, например, к минимальной обработке почвы приводит к такому изменению видового состава сорняков, при котором получают широкое распространение ботанически близкие к возделываемой культуре виды сорной растительности. Поскольку в растительных остатках, сохраняющихся на поверхности почвы, создаются лучшие условия для выживания, роста и размножения фитопатогенов, вероятность возникновения эпифитотий увеличивается. При минимальной обработке повышается выживание и насекомых-вредителей, возрастает их разнообразие. Снижение температуры (на 1-4° С) и большая влажность почвы в этих условиях уменьшают поражение растений кукурузы стеблевой гнилью. Показано также, что пожнивная солома (мульча) снижает численность белокрылки, являющейся переносчиком вируса. В целом, минимальная обработка почвы приближает агроценозы к естественным экосистемам, способствуя не только сохранению органических веществ, но и активации почвенных микроорганизмов и беспозвоночных.
Многочисленные данные свидетельствуют о том, что в условиях использования высоких доз азотных удобрений, орошения и потенциально высокоурожайных сортов и гибридов (конкурентоспособность которых обычно снижена) существенное уменьшение урожайности связано с засоренностью полей. К числу особо вредоносных для сельскохозяйственных культур относятся около 250 видов сорняков, обычно характеризующихся высокой семенной продуктивностью (до 110 тыс. семян на растении у Аmaranthus retroflexus), а также способностью сохранять жизнеспособность семян в течение десятков лет. Наибольший вред сорняки наносят в первую треть вегетации культивируемых растений.
Многие сорняки являются резерваторами вредителей. Так, более 70 семейств членистоногих, поражающих культивируемые виды растений, используют сорняки в качестве кормовой базы. В то же время и полезная энтомофауна нередко приурочена к сорным растениям. Причем имеющиеся данные свидетельствуют о том, что массовое распространение сельскохозяйственных вредителей с большей вероятностью происходит на незасоренных, чем засоренных полях. Поэтому зависимость урожайности от плотности популяций сорняков оказывается не линейной, а сигмоидальной: низкая плотность популяций сорняков обычно не влияет на урожайность, а некоторые виды сорняков даже стимулируют рост растений-хозяев.
Необходим системный подход к управлению динамикой численности популяций сорняков. В частности, следует учитывать разную конкурентоспособность зерновых культур (овес > пшеница > ячмень), которая может быть усилена за счет большей густоты стояния растений, и прежде всего, большей нормы высева. В настоящее время все более утверждается мнение, что борьба с сорняками должна быть интегрированной, причем ориентирующейся на сохранение численности сорняков в пределах экономически допустимого порога их вредоносности. Такой подход к борьбе с сорной растительностью включает использование севооборотов, покровных культур и мульчирования, регулирование водного режима, азотного баланса, плотности посева, приемов обработки почвы и агротехники (сроки посева, культивации, сочетание видов и сортов с разной скороспелостью и, наконец, применение гербицидов). Воробьев справедливо считает, что в агроценозах необходимо значительно усилить эколого-ценотический контроль, используя гербициды в основном для изменения характера взаимоотношений между культурными и сорными растениями, усиливая эдификаторную роль первых и ослабляя конкурентную способность вторых.
Переход к использованию пестицидов с учетом экономически допустимого порога вредоносности предполагает полный отказ от «слепых» и «профилактических» обработок посевов. Так, в специально проведенных опытах были установлены количественные связи между плотностью популяции сорняков, степенью поражения культивируемых растений и экономическим порогом вредоносности. Согласно Diercks, использование инсектицидов обосновано, если к моменту обработки, например, сахарной свеклы на каждом растении, находящемся в стадии 4-го листа, уже имеется по 6-8 яиц свеколовичной мухи; на зерновых культурах - при 3 особях тли на каждом колосе в период полного цветения или 5 - во время образования зерна; при поражении 30% поверхности листа шведской мухой и т.д. Специфическая защитная реакция растений может обеспечиваться за счет фитонцидов, или биологических антисептиков.
Считается, что, чем выше урожайность, тем ниже экономически оправданный порог вредоносности и, следовательно, увеличивается потребность применения средств защиты растений. Так, при урожайности пшеницы 55 ц/га химическая обработка экономически выгодна в том случае, если плотность популяции тли составляет 17 насекомых на соломину, а при 75 ц/га - уже при 4 вредителях на соломину. Причем с ростом урожайности зерновых культур увеличивается вероятность их поражения вредителями и болезнями, т.е. создается ситуация порочного круга («пестицидного синдрома»), при которой односторонняя ориентация на химические средства защиты растений требует все большего их применения. Более того, расчеты порога экономически допустимого вреда с позиций только окупаемости затрат предполагают, что с ростом урожайности становится «выгодным» применять химические средства защиты даже при незначительной плотности вредителей и возбудителей болезней. Практическая реализация такого подхода во Франции и Англии привела к тому, что если в 1972 г. фунгицидами обрабатывали соответственно лишь 3 и 10% посевов зерновых, то в 1980 г. - 76-80%. Поэтому в расчетах порога допустимого вреда, наряду с общепринятыми экономическими показателями, должны учитываться экологическая ситуация и соответствующая «цена», гарантирующие защиту окружающей среды от разрушения и загрязнения. Так, опрыскивание и опыливание без учета особенностей микрорельефа малоэффективно, поскольку в одних микрозонах популяция вредителя уже нанесла необратимый вред, а в других - только появилась и т.д. Одновременно в агроэкосистемах и агроландшафтах важно учитывать очаговый характер распределения возбудителей болезней, вредителей и сорняков, обусловленный вариабельностью экологических условий.
В целом же использование прогноза экономически допустимых порогов вредоносности позволяет сократить число химических обработок. Так, если первые симптомы заражения растений ярового ячменя мучнистой росой (Erysiphe graminis) становятся заметными уже спустя 30 дней после появления всходов, то вероятность массового поражения посева наибольшая. Если же признаки заболевания проявляются позже указанного срока - от химической обработки можно отказаться. Благодаря предварительному определению содержания зооспорангий пероноспоры хмеля (Pseudoperonospora humuli) в воздухе, удалось сократить число химических обработок этой культуры в ФРГ с 14 (от 10 до 20) до 8.
К настоящему времени разработаны весьма надежные методы прогноза динамики численности популяций насекомых и возбудителей болезней. Например, в Голландии с 1977 г. функционирует система прогнозирования динамики численности популяций возбудителей болезней и вредителей на пшенице, использующая методы математического моделирования и средства ЭВМ. Аналогичные системы имеются в Великобритании, Швейцарии, Бельгии и других странах. На основе данных о численности популяций паразитов и фактически складывающихся погодных условий с помощью наблюдений и автоматически действующей дистанционной аппаратуры здесь разрабатывают прогнозы распространения вредных видов и комплексные меры защиты агроэкосистем. Причем химическая защита проводится лишь при достижении хозяйственно опасной численности вредных организмов («Экономического порога вредоносности - ЭПВ»). Заметим, что в США еще в 1979 г. была создана межправительственная комиссия по координации интегрированной защиты агроценозов, а в большинстве стран функционируют службы сигнализации появления болезней и вредителей, благодаря чему удалось значительно уменьшить масштабы загрязнения окружающей среды пестицидами. Так, в Западной Швейцарии за счет использования интегрированных методов защиты число обработок посевов инсектицидами было снижено с 7 до 4, а фунгицидами (против парши и мучнистой росы) - с 13 до 11.
Еще в 1930-х гг. внимание исследователей привлекли возможности практического использования биологических методов защиты растений. В работах Мейера было показано, что, например, гессенская мушка, озимая совка и луговой мотылек подвергаются нападению со стороны соответственно 10, 30 и 41 видов полезных насекомых, которые могут поражать фитофага на всех стадиях его развития. Причем популяции хищных насекомых-полифагов при резком уменьшении их количества и даже полном уничтожении одного или нескольких видов-хозяев сосредоточиваются на других вредных видах. Так, в числе хозяев тахины Compsilura concinnata насчитывается несколько десятков видов чешуекрылых, a Trichogramma minutum - 150 видов различных насекомых. На характер взаимоотношений растений, вредного вида насекомых и энтомофагов влияет каждый из компонентов биоценоза. Например, Trichogramma evanescens заражает 80-90% яиц хлопковой совки (Heliothis obsoleta) на хлопчатнике, тогда как железистые волоски, густо покрывающие стебель и листья нута, становятся для трихограм-мы непреодолимым препятствием. Поэтому выращивать хлопчатник и нут на соседних полях нежелательно, поскольку последний в условиях использования трихограммы оказывается источником для постоянной миграции совки на посевы хлопчатника. Снижение численности популяций растительноядного вида насекомых сопровождается уменьшением численности соответствующего хищника лишь в том случае, если оба вида являются монофагами. Динамика популяции хищника зависит не только от численности фитофагов, но и количества собственных врагов (вторичных паразитов), особенностей растения-хозяина и факторов абиотической среды. Характерно, что в техногенно-интенсивных агроэкосистемах Молдавии отмечено снижение численности полезных организмов, в т.ч. пчелиных, мух-тахин, наездников, кокцинелид, жужелиц, муравьев, хищных клещей-фитосбеидов, насекомоядных птиц и млекопитающих при одновременном усилении агрессивности вредных видов: листоверток, тлей, клещей, мышевидных грызунов и т.д.
В настоящее время для биологической защиты агроценозов, наряду с микробными инсектицидами, в мире используются свыше 300 видов энтомофагов. Однако с их помощью удается защитить агроценозы лишь от 150-200 вредных видов насекомых из 10 тыс. Особенно эффективно применение биометода в крупных специализированных хозяйствах. Увеличение доли многолетних бобовых культур (люцерны, клевера и др.) в севооборотах, создание лесополос и ремиз, рост видового разнообразия агроэкосистем обеспечивают условия для размножения полезных насекомых (в т.ч. энтомофагов), т.е. позволяют максимально использовать фактор биологического контроля за поддержанием экологического равновесия. Причем существенное значение в системе интегрированной защиты агроэкосистем имеет и сохранение орнитофауны. Так, лишь один выводок перепелов, поселившихся на поле сахарной свеклы, очищает эту культуру от свекловичного долгоносика на площади до 10 га.
В оптимизации фитосанитарного состояния агроэкосистем особенно важную роль играет их конструирование, позволяющее обеспечить целенаправленное регулирование динамики численности популяций полезной орнито- и энтомофауны, а также почвенной зоофауны. Поэтому при создании, например, полифункциональных лесополос необходимо учитывать адаптивные особенности, фенологию и первичную продуктивность каждого из древесных, кустарниковых и травянистых видов растений. Видовая структура севооборотов должна включать нектароносы, а также виды растений - «биологические санитары» почвы. Как уже отмечалось, семенная продуктивность люцерны находится в прямой зависимости от пчелиных (Melitturga, Rophites и др.), которые образуют крупные поселения возле полей люцерны, а при разреженном травостое и на самих полях. Причем сложные по сортовому составу посевы люцерны обладают большей устойчивостью к повреждающему действию листогрызущих насекомых. Установлено, что при использовании сортовых смесей озимой и яровой пшеницы растения не повреждаются ячменной мухой, в результате чего урожайность увеличивается на 38,8%, а возделывание репеллентных культур (полынь, шалфей, чеснок и др.) в посевах овощных приводит к уменьшению количества вредных насекомых.
Смена агротехнических приемов, а также различные технологии обработки почвы позволяют регулировать численность и вредоносность насекомых. Если внесение высоких доз азота повышает восприимчивость пшеницы и ячменя к мучнистой росе и ржавчине, картофеля к макроспориозу, фитофторозу и парше, а загущение посадок фруктовых деревьев, залужение междурядий, орошение способствуют более сильному развитию мучнистой росы, парши и других заболеваний, то соблюдение севооборота, внесение только необходимых доз калийных удобрений, оптимизация азотного и водного баланса почвы повышают устойчивость культивируемых растений к поражению вредными видами. Широкое использование разовой уборки сельскохозяйственных культур уменьшает запас пищи для вредителей и патогенов, прерывает цикл их развития. Синхронизация активности корневой системы растений и почвенных микроорганизмов позволяет снизить потери питательных веществ из почвы.
Массовое поражение сельскохозяйственных культур в интенсивных агроэкосистемах, с одной стороны, а также тщательное изучение причин экологического равновесия в естественных фитоценозах, с другой - заставили большинство специалистов к концу 1950-х гг. пересмотреть стратегию и тактику борьбы с вредителями и болезнями. Было показано, что за счет формирования гетерогенной видовой и сортовой структуры агроэкосистем удается значительно повысить их экологическую устойчивость. В области селекции растений все большее внимание стали уделять созданию сортов с горизонтальной, или полевой устойчивостью, препятствующей образованию новых рас патогенов. Аналогичную роль выполняют многолинейные и синтетические сорта, а также смешанные посевы. Для некоторых регионов (например, для Северной Америки) были разработаны континентальные программы, предусматривающие использование десяти генов, обеспечивающих вертикальную устойчивость растений овса к листовой ржавчине.
Однако даже сорта и гибриды с горизонтальной устойчивостью способны противостоять лишь среднему уровню давления возбудителей болезней, и поэтому в годы массового поражения (эпифитотий) для их защиты должны быть использованы и химические средства. О необходимости перехода именно к адаптивно-интегрированной системе защиты растений свидетельствуют и данные ведущих селекцентров мира. Поэтому использование химических средств защиты агроценозов от вредителей, болезней и сорняков должно рассматриваться как составная часть интегрированной системы управления экологическим равновесием агроэкосистем и агроландшафтов в целом.
И все же ориентация интенсификационных в растениеводстве процессов на ресурсоэнергосбережение и природоохрану предполагает резкое сокращение применения пестицидов на основе повышения роли механизмов и структур саморегуляции в агроценозах и агроландшафтах. Главные возможности реализации этой задачи связаны с использованием сортов и гибридов, устойчивых к биотическим стрессорам, с адаптивным агроэкологическим макро-, мезо- и микрорайонированием сельскохозяйственных культур (эффект избежания), с конструированием экологически устойчивых агроэкосистем и агроландшафтов (повышение их биотической гетерогенности, усиление обратных отрицательных связей и др.), исключением антропогенного разрушения и подавления механизмов и структур саморегуляции в агроэкосистемах. Другими словами, в системе адаптивного растениеводства существенно расширяется спектр интегрируемых факторов поддержания экологического равновесия и управления динамикой численности популяций полезных и вредных видов фауны и флоры.
Приоритетность использования механизмов и структур саморегуляции, в т.ч. гомеостаза развития и популяционного гомеостаза растений, по сравнению с применением пестицидов обусловлена многими причинами. Так, к настоящему времени зафиксировано повышение устойчивости к пестицидам более чем у 500 видов насекомых-вредителей, десятков видов возбудителей болезней и сорняков. Тенденция эффекта «пестицидного бумеранга» будет усиливаться, т.к. в «эволюционном танце» генотипической изменчивости растения-хозяина и паразитов явное преимущество на стороне последних. Это обусловлено не только многочисленностью имеющихся потенциально вредных для сельскохозяйственных культур видов насекомых, грибов, вирусов, нематод, сорняков (их более 100 тыс.), но и большей зависимостью их рекомбинационной и мутационной изменчивости от условий внешней среды (индукция и естественный движущий отбор). В отличие от абиотических стрессоров, многие из которых удается прогнозировать, для проявления эпифитотий и панфитотий характерна большая непредсказуемость, за исключением ситуации, связанной с усилением генетической однородности сортов и гибридов. Например, в зависимости от погодных флуктуаций резко изменяется численность переносчиков вирусов и соответственно поражение сельскохозяйственных культур. В неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях существенно усиливается поражение растений вредителями, а пораженные посевы менее устойчивы к действию абиотических стрессоров.
Неравномерное распределение природных ресурсов во времени и пространстве предопределяет очаговый характер появления вредных видов в агроэкосистемах и агроландшафтах, что подтверждает необходимость не только дифференцированного подхода к размещению культивируемых видов и сортов растений, но и к применению химических и агротехнических средств защиты. Наряду с уже известными экономически допустимыми порогами вредоносности, важно одновременно учитывать и экологические пороги, обусловленные различием предельно допустимых антропогенных нагрузок для разных агроэкосистем и агроландшафтов. При этом системы интегрированной защиты растений должны быть адаптированы не только к особенностям агроландшафтов, но и к компонентам естественных ландшафтов, включая требования к ним как к «среде обитания».