Основной причиной потери азота на рисовых полях является почва, а не удобрения

Производство риса сильно зависит от азотных удобрений, особенно в Китае, где нормы внесения в два-три раза превышают среднемировые. В то же время большое количество азота теряется в окружающую среду — главным образом в виде N2. Ученые предполагали, что азот, вносимый удобрениями, является основным источником этих потерь N2 — вывод, который подтверждался технической сложностью различения N2, выделяемого почвой, от фонового атмосферного азота.

Новое исследование, проведенное профессором Янь Сяоюанем из Института почвоведения Китайской академии наук, опровергло это давнее предположение о потерях азота в сельском хозяйстве. Опубликованное в PNAS 22 апреля в качестве главной статьи, исследование показывает, что большая часть выбросов газообразного азота (N2) с рисовых полей происходит из органического азота почвы (SON), а не из вносимых удобрений.

В нем также предлагается новый механизм для объяснения этого явления, переосмыслив наше понимание круговорота азота в сельском хозяйстве.

В этом исследовании ученые использовали новую методику наблюдений на месте, сочетающую изотопное мечение 15N с масс-спектрометрией с мембранным вводом (MIMS). Такой подход позволил одновременно измерять выбросы N2, аммиака (NH3) и закиси азота (N2O) на протяжении всего вегетационного периода риса, разделяя их источники.

Результаты оказались поразительными: 72–75% выбросов N2 были связаны с органическим азотом риса (SON), а не с азотом удобрений. Это открытие было независимо подтверждено в 14-летнем эксперименте по внесению удобрений.

В отличие от этого, выбросы NH3 были в основном связаны с внесенными удобрениями, тогда как выбросы N2O происходили как из почвы, так и из удобрений. Исследователи также выявили сезонную закономерность «компромисса»: испарение NH3 доминировало в потерях азота на ранних стадиях роста, тогда как выбросы N2 становились доминирующими позже в сезоне.

На основе этих наблюдений исследователи предложили механизм «микробного азотного насоса» для объяснения этого процесса. После внесения удобрений аммоний (NH4+), полученный из мочевины, быстро усваивается почвенными микробами для поддержания роста, создавая стехиометрический дисбаланс углерода и азота. Для восстановления этого баланса микробная активность ускоряет разложение органического вещества почвы, мобилизуя SON и высвобождая большое количество почвенного NH4+.

Этот «старый азот» впоследствии преобразуется в N2 посредством процессов нитрификации и денитрификации и высвобождается в атмосферу. Минерализованный SON лишь частично восполняется за счет микробного круговорота азота.

Исследователи обнаружили, что гибридные сорта риса повышают эффективность поглощения азота и микробное использование азота, снижая потери газообразного азота в масштабе урожая примерно на 43% при сохранении высокой продуктивности. Это говорит о том, что интеграция селекции сельскохозяйственных культур с регулированием почвенно-микробной активности может помочь достичь как высоких урожаев, так и меньшего воздействия на окружающую среду.

Выявив органический азот в почве в качестве основного источника выбросов N2, это исследование коренным образом пересматривает наше понимание круговорота азота в рисовых экосистемах. Оно также предоставляет новую теоретическую основу для повышения эффективности использования азота, уточнения глобальных азотных балансов и разработки устойчивых методов ведения сельского хозяйства.