Большинство фермеров Среднего Запада чередуют посевы кукурузы и сои. Однако цены на сельхозпродукцию и преимущества в урожайности кукурузы побуждают некоторых сажать кукурузу из года в год. Несмотря на то что фундаментальные исследования о преимуществах чередования кукурузы и сои ведутся уже несколько десятилетий, учёные Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне продолжают работать над комплексными вопросами урожайности, воздействия на окружающую среду и экономической эффективности при различных сценариях севооборота.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Agriculture, Ecosystems & Environment, учёные из Центра устойчивого развития агроэкосистем и Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук использовали сложную модель агроэкосистемы «ecosys», чтобы объяснить, почему урожайность кукурузы выше после сои при обычных нормах внесения азотных удобрений; как чередование кукурузы и сои влияет на выбросы парниковых газов в почве и вымывание азота; и когда чередование кукурузы и сои наиболее экономически выгодно.
«Мы обнаружили, что, хотя чередование кукурузы и сои может повысить урожайность кукурузы и снизить потребность в азотных удобрениях, преимущества сопровождаются нюансированными экологическими и почвенными компромиссами в отношении углерода», — сказал руководитель исследования Кайю Гуань, директор-основатель Центра устойчивого развития агроэкосистем и профессор Levenick в Департаменте природных ресурсов и наук об окружающей среде в Иллинойсе.
После обучения модели «ecosys» на десятилетних полевых испытаниях Департамента наук о сельскохозяйственных культурах с различными севооборотами и нормами внесения азотных удобрений исследователи не удивились, обнаружив, что кукуруза, выращенная после сои, стабильно давала в среднем на 6,4% больше, чем непрерывная кукуруза, при стандартных нормах внесения азота (151 килограмм азота на гектар).
Углублённый анализ показал, что более низкая биомасса и быстрое разложение остатков сои оставляли поверхность почвы более открытой весной, когда высаживается кукуруза. Открытая почва быстрее прогревается, что, в свою очередь, заставляет почвенные микроорганизмы минерализовать больше азота из органических веществ, обеспечивая источник доступного азота для молодых растений кукурузы — эффект, аналогичный стартовому удобрению, обычно используемому фермерами. Исследователи обнаружили, что это привело к повышению урожайности кукурузы к концу сезона. Однако это преимущество уменьшалось при более высоких нормах внесения азотных удобрений.
«Чем больше азота вы вносите, тем меньше выгоды от севооборота вы получаете», — сказал первый автор исследования Зийи Ли, научный сотрудник Центра устойчивого развития агроэкосистем. «В некоторых случаях прирост урожайности почти исчезает».
С экологической точки зрения чередование кукурузы и сои помогло снизить выбросы закиси азота и аммиака из почвы. Но быстро разлагающиеся остатки сои привели к общему снижению содержания органического углерода в почве по сравнению с непрерывной кукурузой.
Неудивительно, что вымывание азота было ниже в годы выращивания сои из-за отсутствия внесения удобрений. Однако тот факт, что вымывание азота происходило и под соей, указывает на важность минерализации азота из органических веществ. Вымывание увеличивалось в последующие годы выращивания кукурузы, когда разложившиеся остатки сои высвобождали азот в почву.
«Эти результаты подчёркивают ключевой компромисс», — сказал Гуань. «Севооборот улучшает одни показатели устойчивости, в то время как другие, особенно при типичных методах внесения удобрений, оказываются под угрозой».
Используя исторические цены на сельхозпродукцию, исследователи обнаружили, что чередование кукурузы и сои предлагало более высокую экономическую отдачу — до 458 долларов за акр (1133 доллара за гектар) больше, чем непрерывная кукуруза — при низких нормах внесения азотных удобрений (45 фунтов на акр) и в типичных рыночных условиях (соя: 11 долларов за бушель, кукуруза: 4,50 доллара за бушель, азотные удобрения: 193 доллара за Mg (175 долларов за короткую тонну) UAN). Но при высоких нормах внесения азота и рыночных сценариях с повышенными ценами на кукурузу это преимущество значительно уменьшалось или даже нивелировалось.
«Степень, в которой одна система земледелия превосходит другую с точки зрения чистых агрономических преимуществ, зависит не только на урожайности кукурузы и использовании азотных удобрений, но также на урожайности сои и рыночных ценах, включая удобрения, зерно и затраты на технику», — сказал Ли.
«Такие комплексные экономические оценки могут помочь фермерам принимать обоснованные решения о последовательности посевов, особенно в ответ на колебания рынка, и соответствующим образом информировать страховые продукты и инициативы по сохранению», — добавил он.
Исследование подчёркивает важность адаптации управления азотом для обеспечения рентабельности и устойчивости. Более низкие нормы внесения удобрений при чередовании кукурузы и сои по сравнению с непрерывной кукурузой могут максимизировать экономическую отдачу при одновременном снижении некоторых экологических последствий, но фермерам необходимо сопоставить эти преимущества с потенциальным снижением содержания органического вещества в почве и увеличением вымывания питательных веществ.
«Наша работа даёт фермерам и политикам более целостное представление об органическом веществе, азоте и результатах урожайности», — сказал соавтор Эндрю Мардженот, доцент кафедры сельскохозяйственных наук в Иллинойсе. «Мы знали, что эти компоненты важны и как они реагируют по отдельности, но объединение их вместе для демонстрации взаимосвязи имеет ключевое значение».
Кроме того, Мардженот отмечает, что эта работа подчёркивает необходимость учёта долгосрочных изменений в органическом веществе, учитывая его важность как источника азота для поглощения культурами.
«Эти результаты согласуются с повышенной минерализацией азота под соей по сравнению с кукурузой, а снижение содержания органического вещества обусловлено соей в севообороте кукуруза-соя», — сказал он.
Десятилетия исследований указывают на преимущества севооборота с точки зрения урожайности, снижения потребности в удобрениях и здоровья почвы. Новое исследование предоставляет убедительное научное обоснование для севооборота и заполняет предыдущий пробел в знаниях, подробно количественно оценивая сельскохозяйственные результаты чередования кукурузы и сои. Несмотря на обнаруженные командой экологические компромиссы, экономический анализ демонстрирует, что севооборот является прибыльным, особенно при более низких нормах внесения удобрений.
Источник:
[Колледж сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне](https://aces.illinois.edu/)