Фермеры применяют азотные удобрения к посевам, чтобы повысить урожайность, прокормить больше людей и скота. Но когда удобрений больше, чем может усвоить урожай, часть излишков может быть преобразована в газообразные формы, включая закись азота, парниковый газ, который удерживает в атмосфере почти в 300 раз больше тепла, чем углекислый газ. Около 70% антропогенного закиси азота поступает из сельскохозяйственных почв, поэтому жизненно важно найти способы ограничить эти выбросы.
Прежде чем рекомендовать методы снижения выбросов закиси азота и других парниковых газов из сельскохозяйственных почв, ученые должны сначала понять, где и когда они высвобождаются. Отбор проб выбросов из почвы - трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому большинство исследований не проводили обширный отбор проб в пространстве и времени.
Новое исследование Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне попыталось изменить это, тщательно отбирая пробы закиси азота и углекислого газа с коммерческих полей кукурузы и сои в рамках практических сценариев управления в течение нескольких лет, пишет Лорен Куинн в релизе Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук при Иллинойском университете в Урбане-Шампейне.
Этот набор данных может не только привести к рекомендациям по смягчению последствий, но и уточнить климатические модели, которые предсказывают наше глобальное будущее. Исследование опубликовано в журнале Agriculture, Ecosystems & Environment.
«Снижение выбросов парниковых газов сельскохозяйственными почвами может помочь нам достичь глобальных климатических целей. Высокое пространственное и временное разрешение, крупномасштабные и многолетние данные необходимы для разработки обоснованных стратегий смягчения. До нашего исследования таких наборов данных просто не существовало», — сказал соавтор исследования Чунхва Джанг, научный сотрудник кафедры растениеводства, входящей в Колледж сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне.
Джанг и его коллеги под руководством Кайю Гуаня из Центра устойчивости агроэкосистем создали самый обширный набор данных, который когда-либо был доступен для выбросов закиси азота и углекислого газа на фермах. Они разместили большую сеть точек отбора проб газа на коммерческих полях кукурузы и сои при традиционном, природоохранном и нулевом управлении.
Представьте себе поле, оснащенное крошечными дымовыми трубами на уровне земли, выкачивающими газы из почвы. Исследователи приезжали с машинами, чтобы измерять концентрацию этих газов еженедельно или раз в две недели в течение сезона в течение двух лет. Дымовые трубы, которые постоянно выкачивали высокие концентрации газов, назывались горячими точками. Горячие моменты наступали, когда концентрации повышались в большинстве или во всех дымовых трубах после таких событий, как осадки или внесение удобрений.
«Мы обнаружили, что поток углекислого газа был схожим на отдельных полях, участках и в разные годы, или даже между системами кукурузы и сои. Эти результаты говорят нам, что выбросы углекислого газа постоянны и что выборка с высоким пространственным разрешением, вероятно, достаточна для оценки потока в масштабах всего поля», - рассказал Джанг.
С другой стороны, закись азота была какой угодно, но не постоянной. Мало того, что количество закиси азота в конкретной «дымовой трубе» резко колебалось от одного сеанса отбора проб к другому (горячие моменты), исследователи обнаружили, что они не могли предсказать, где в поле они найдут горячие точки в любую заданную дату.
«В пространстве и времени закись азота была очень изменчивой, - говорит Джанг. - В один день точка A переживала горячий момент, а затем при следующем измерении мы обнаруживали горячие моменты в точках B и C. Горячие точки просто перемещались».
Это открытие важно, потому что если предыдущие исследования брали пробы только в паре мест или в пару дат, их оценки потока закиси азота могли быть очень неверными. Эти измерения информируют глобальные климатические модели, которые говорят нам, как скоро мы достигнем критических точек невозврата, поэтому крайне важно, чтобы они были максимально точными.
«Этот проект позволил нам зафиксировать пространственно-временные и управленческие изменения, чтобы предоставить данные золотого стандарта и платформу для проверки выбросов парниковых газов на уровне поля. Это необходимо для устойчивых практик, чтобы обеспечить как спрос на продовольствие, так и на биоэнергию и минимизировать выбросы в атмосферу», - сказал соавтор исследования ДоКён Ли, профессор растениеводства в Иллинойсе.
Результаты также показали, как системы управления и земледелия влияют на выбросы парниковых газов. Выбросы углекислого газа были схожи для севооборота кукурузы и сои, а также для консервационной и нулевой обработки, но традиционная чизельная обработка и кукуруза в монокультурепоказали более высокие концентрации. С другой стороны, закись азота была намного выше в кукурузе, чем в сое при консервационной и нулевой обработке, и почти зашкаливала в непрерывной кукурузе при чизельной обработке.
Карты интерполяции обратного взвешивания расстояний (IDW) сезонных кумулятивных потоков CO2 в почве (левый столбец каждого года) и N2O (правый столбец каждого года), измеренных ручными камерами на трех участках (Бондвилл, Вилла-Гроув и Песотум) за оба года (2021 и 2022).
Количество точек отбора проб для Бондвилля, 2021, и Вилла-Гроув, 2022, увеличилось до сорока, но эти дополнительные точно не отображались, чтобы сделать сравнение между годами визуально более простым. Различные значки для посаженных культур (кукуруза и соя) и методов обработки почвы (традиционная обработка, сокращенная (консервационная) обработка и нулевая обработка) были размещены над картами, чтобы указать управление каждым участком и годом. Вверху справа - цветовые коды диапазонов потоков, предназначенные для представления распределения потоков по участкам и годам. Источник: Agriculture, Ecosystems & Environment (2025). DOI: 10.1016/j.agee.2025.109636
«Мы не можем предсказать, где и когда произойдет всплеск закиси азота, но мы знаем, что управление имеет значение. При непрерывном выращивании кукурузы фермерам приходится применять большие объемы азотных удобрений, которые превращаются в закись азота. А традиционная обработка почвы нарушает поверхность почвы и выделяет газ. Мы знаем, что делать, чтобы смягчить это», - заключил Джанг.
Источник и фото: College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences at the University of Illinois Urbana-Champaign. Автор: Лорен Куинн. На фото - газоанализатор измеряет уровень углекислого газа и закиси азота на полях.