Продвинутая модель и полевые данные улучшают управление покровными культурами
Покровные культуры считаются одной из самых перспективных практик консервации, улучшающих здоровье почвы и удаляющих углерод из атмосферы. Однако, хотя число фермеров на Среднем Западе, высаживающих покровные культуры, значительно выросло, данные переписи USDA 2017 года показывают, что их используют только около 5% фермеров. Нежелание остальных 95% может быть частично связано с восприятием, что покровные культуры требуют больше усилий и могут негативно влиять на урожайность основных летних культур.
Новое исследование Университета Иллинойса интегрирует полевые данные и продвинутое математическое моделирование, чтобы понять, как покровные культуры влияют на динамику воды, азота и кислорода в почве и могут конкурировать с основными летними культурами.
"Использование покровных культур требует управления. В противном случае они конкурируют с кукурузой и соей и могут вызывать некоторую потерю урожайности. Однако при правильном управлении фермеры могут использовать подходящие типы покровных культур и найти оптимальное окно для их посадки и уничтожения, чтобы получить выгоду и минимизировать негативное влияние на основные культуры", — говорит Кайю Гуань, старший автор статьи в Field Crops Research.
Выводы Гуаня основаны на сложной математической модели, валидированной пятилетними экспериментальными полевыми данными, собранными на нескольких участках в Иллинойсе. Модель, основанная на процессах, призвана определить основные факторы влияния покровных культур на урожайность основных культур, включая:
- Тип покровной культуры
- Сроки уничтожения
- Почвенные факторы (вода, азот, кислород, температура почвы)
"Модели, основанные на процессах и валидированные полевыми данными, имеют несколько преимуществ по сравнению с полевыми экспериментами", — отмечает ведущий автор исследования. Они могут симулировать промежуточные переменные, которые трудно измерить в полевых условиях, например, процессы в почве.
Модель объяснила, почему покровные культуры мешают урожайности основных культур: два типа культур конкурируют за общие ресурсы в почве (воду, азот, кислород). Однако влияние зависит от контекста и специфично для вида.
Ключевые выводы модели:
- Урожайность сои не пострадала от покровных культур, вероятно, из-за способности сои фиксировать собственный азот.
- Для кукурузы конкуренция за воду усиливается в засушливые годы, а более позднее уничтожение покровных культур уменьшает доступность азота для основной культуры.
- Тип покровной культуры: небобовые виды (например, райграс однолетний, рожь озимая) снизили урожайность кукурузы на 0.9–6.9%. Бобовая культура, фиксирующая азот (вика мохнатая), не повлияла на урожайность кукурузы в условиях высокого содержания азота.
- Сроки уничтожения так же важны, как и вид. Позднее уничтожение небобовых покровных культур (за день до посадки) привело к большей потере урожайности кукурузы, чем уничтожение за месяц до посадки.
"Существует компромисс между пользой покровной культуры и урожайностью основной культуры. Если уничтожить раньше, покровная культура меньше повлияет на урожайность, но накопит меньше биомассы и, возможно, поглотит меньше азота из почвы", — объясняет Мария Вильямил, соавтор исследования.
Модель также выявила другие негативные факторы: более низкая температура почвы под биомассой покровных культур и снижение доступности кислорода в почве.
Гуань отмечает, что программы, подобные Pandemic Cover Crop Program от USDA, снижающие страховые взносы для фермеров, использующих покровные культуры, а также рост рынка частных углеродных кредитов, могут стимулировать более широкое внедрение этой практики. "Мы здесь для того, чтобы объяснить фермерам, как работает наука, и правильно направить их для получения выгоды от покровных культур".