Долгосрочное влияние азотных удобрений для кукурузы: исследование показывает длительный эффект в дренируемых системах

Почвы Среднего Запада США — одни из самых продуктивных в мире, отчасти благодаря обширным системам дренажа, которые отводят лишнюю воду с полей. Однако вода — не единственное, что уходит через дренажные трубы. Азот перемещается вместе с почвенной водой в дренажные канавы, ручьи и, в конечном итоге, в бассейн реки Миссисипи, где этот питательный элемент способствует массовому цветению водорослей и гипоксии, влияющей на водную жизнь в Мексиканском заливе.

Новое исследование Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне предлагает свежий взгляд на источники и процессы, влияющие на азотную нагрузку в дренажной воде. Исследование выявило неожиданно большой и стабильный «наследственный» пул азота, добавляя нюансы к распространённому мнению, что азот быстро проходит через дренажные системы как временное отражение внесения удобрений и микробной активности.

Исследование опубликовано в Journal of Geophysical Research: Biogeosciences.

«Эффект наследия связан с временным лагом между моментом, когда азот становится доступным в почвенной среде, и его потерей в водные пути. Например, если вы внесёте азотное удобрение в этом году, это не сразу отразится на сбросах ниже по течению. Этот лаг был обнаружен во многих системах, но предыдущие исследователи не знали, чем он вызван и какова его величина», — сказал ведущий автор исследования Чжунцзе Ю, доцент кафедры природных ресурсов и наук об окружающей среде (NRES).

Чтобы понять происхождение азота в дренажной воде, исследовательской группе сначала пришлось дифференцировать нитрат, полученный из различных источников. Они собирали образцы дренажной воды с поля кукурузы и сои еженедельно в течение трёх лет и измеряли содержание нитрата. Также были собраны образцы почвы, растительных остатков и удобрений для анализа концентраций азота, а также естественных стабильных изотопов азота и кислорода — двух элементов, составляющих молекулы нитрата.

Используя чувствительное лабораторное оборудование, предыдущие исследователи связали небольшие вариации в более тяжёлых изотопах азота (15N) и кислорода (18O) с различными источниками азота и микробными процессами круговорота азота — нитрификацией и денитрификацией.

«Мы можем думать об изотопах азота и кислорода как об отпечатке пальца, чтобы идентифицировать источники нитрата и то, как он перерабатывается микробными процессами», — пояснил Ю. — «Разные источники имеют разные изотопные соотношения, как у людей разные отпечатки пальцев».

Он добавил, что нитрат, полученный из неорганических удобрений, имеет более низкое изотопное соотношение (меньше тяжёлых атомов азота и кислорода), чем нитрат из пула органического азота почвы.

Команда также инкубировала образцы почвы в лаборатории, чтобы изучить, как микробный круговорот азота влияет на изотопы нитрата. Используя данные как с поля, так и из лаборатории, исследователи смогли проследить источники нитрата во времени и в разных системах земледелия.

«Наши результаты показывают, что исходные изотопные соотношения нитрата были аналогичны таковым у азота аммиачных удобрений и биомассы сои и не менялись со временем, когда в систему не вносились новые удобрения», — сказал Ю. — «Это указывает на большой наследственный пул нитрата в почве и временной лаг между внесением азота в систему и его экспортом в виде нитрата через дренаж».

Он добавил, что когда новое удобрение (безводный аммиак) вносилось под кукурузу, в дренажной воде регистрировался большой сдвиг изотопного сигнала, отражающий новый азот, особенно после дождей. Однако этот новый сигнал часто был кратковременным, и наследственный сигнал вновь проявлялся в течение следующих дней или недель.

Эта картина согласуется с результатами группы соавтора исследования, профессора NRES Ричарда Малвани. В серии исследований эта группа использовала меченые изотопы для отслеживания поглощения азота растениями кукурузы и обнаружила, что растения используют менее половины азота из удобрений; вместо этого кукуруза получала большую часть азота из почвы. Оставшийся азот удобрений, согласно новым результатам, вероятно, теряется через дренаж или превращается в реактивную фракцию, хранящуюся в почве, что приводит к долгосрочному высвобождению азота.

Ю отметил, что доказательства эффекта наследия могут информировать управление и влиять на то, как политики оценивают успех мер по сокращению потерь азота.

«Часто мы ожидаем немедленного эффекта от изменений в управлении на азотную нагрузку. Однако, даже если мы прекратим вносить азотные удобрения в данном году, мы всё равно можем наблюдать значительные потери из этой системы в течение нескольких последующих лет», — сказал он. — «Это не так, что если мы сократим внесение азота, это сразу всё решит».

Первый автор исследования, аспирант Иньчао Ху, добавила, что потери нитрата, полученного из удобрений для кукурузы, были наиболее сильными во время событий с высоким сбросом дренажной воды. Это говорит о том, что небольшое предвидение в управлении может быть полезным, когда в прогнозе дождь.

«Если мы сможем контролировать внесение в периоды высокого сброса, это может помочь нам сократить загрязнение азотом», — сказала она. — «Или, если есть достаточные прогнозы дождевых событий, фермеры могут принять адаптивные меры и временно перекрыть дренаж».