Выращивание риса во многом зависит от применения азотных удобрений. Особенно активно их используют в Китае, где нормы внесения часто в два-три раза выше среднемировых показателей. При этом значительная часть азота не усваивается растениями, а уходит в окружающую среду. Один из основных путей таких потерь — выделение газообразного азота N₂.
Долгое время считалось, что главный источник этих выбросов — сами азотные удобрения. Такая точка зрения сохранялась во многом из-за сложности измерений: учёным было трудно точно отделить азот, который выделяется из почвы, от атмосферного фона.
Новое исследование, проведённое группой профессора Янь Сяоюаня из Института почвоведения Академии наук Китая, поставило это представление под сомнение. Работа, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показала, что основная часть выбросов газообразного азота с рисовых полей связана не с внесёнными удобрениями, а с органическим азотом почвы.
Исследователи предложили новое объяснение этому процессу. По их данным, удобрения не обязательно превращаются в газообразный азот напрямую. Вместо этого они запускают активные микробные процессы в почве, из-за которых начинают расходоваться собственные запасы почвенного азота.
Как учёные определили источник азота
Чтобы проследить путь азота в рисовой экосистеме, команда использовала современную методику наблюдений прямо в полевых условиях. Она сочетала изотопное отслеживание с помощью ¹⁵N и масс-спектрометрию с мембранным входом.
Такой подход позволил в течение всего сезона выращивания риса одновременно измерять выбросы нескольких азотсодержащих соединений: молекулярного азота N₂, аммиака NH₃ и закиси азота N₂O. Кроме того, учёные смогли определить, откуда именно поступал азот: из удобрений или из органического вещества самой почвы.
Результаты оказались неожиданными. По данным исследования, от 72 до 75% выбросов N₂ были связаны с почвенными процессами, а не с прямым превращением азота удобрений. Эти выводы также подтвердились в ходе длительного, 14-летнего эксперимента по внесению удобрений.
При этом разные формы потерь азота имели разные источники. Выбросы аммиака в основном были связаны с внесением удобрений. Закись азота образовывалась как за счёт удобрений, так и за счёт почвы. А основная часть молекулярного азота N₂ происходила именно из почвенного органического азота.
Учёные также заметили сезонную закономерность. На ранних этапах роста риса азот чаще терялся в форме аммиака. Ближе к концу сезона основным каналом потерь становились выбросы N₂.
Что такое «микробный азотный насос»
Для объяснения полученных результатов исследователи предложили механизм, который назвали «микробным азотным насосом».
После внесения удобрений аммоний, образующийся из мочевины, быстро захватывается почвенными микроорганизмами. Микробам нужен азот для поддержания жизнедеятельности, но такой резкий приток нарушает баланс между углеродом и азотом в почвенной среде.
Чтобы восстановить это соотношение, микроорганизмы начинают активнее разлагать органическое вещество почвы. В результате высвобождается дополнительный аммоний уже почвенного происхождения. Именно этот «старый» азот затем проходит через процессы нитрификации и денитрификации и превращается в N₂, который уходит в атмосферу.
Иными словами, удобрения действуют не только как прямой источник питания для растений. Они могут активировать скрытые запасы азота в почве и тем самым косвенно усиливать его потери.
Один из участников исследования, профессор Ся Лунлун, объяснил это так: удобрения не обязательно сами превращаются в газообразный азот. Они запускают процессы, которые вовлекают в оборот почвенный азот и увеличивают его выход в атмосферу.
Почему это важно для выращивания риса
Открытие имеет большое значение для понимания азотного баланса в рисовых экосистемах. Если раньше основное внимание уделялось сокращению потерь азота из удобрений, то теперь становится ясно: необходимо учитывать и состояние органического вещества почвы, и активность почвенных микроорганизмов.
Исследование показывает, что управление азотом должно быть более точным. Недостаточно просто уменьшать или увеличивать дозы удобрений. Важно понимать, как они влияют на почвенную микробиоту, минерализацию органического вещества и общую устойчивость агроэкосистемы.
Учёные также отметили перспективную роль гибридных сортов риса. Такие сорта лучше усваивают азот и повышают эффективность его использования почвенными микроорганизмами. По оценкам исследователей, это позволяет снизить потери газообразного азота в пересчёте на урожай примерно на 43%, сохраняя при этом высокую продуктивность.
Это означает, что сочетание грамотной селекции, рационального внесения удобрений и управления почвенно-микробными процессами может помочь одновременно решать две задачи: получать стабильные урожаи риса и снижать нагрузку на окружающую среду.
Новое понимание круговорота азота
Результаты исследования меняют прежнее представление о том, как азот теряется на рисовых полях. Главным источником выбросов N₂ оказался не внесённый минеральный азот, а органический азот почвы, который активируется под воздействием удобрений и микробных процессов.
Это открытие важно не только для Китая, где рис занимает огромные площади и активно применяются азотные удобрения. Оно также может быть полезно для уточнения глобального баланса азота, разработки экологически устойчивых агротехнологий и повышения эффективности использования удобрений в сельском хозяйстве.
Новый подход показывает: чтобы снизить потери азота, нужно работать не только с нормами удобрений, но и с самой почвой — её органическим веществом, микробной активностью и способностью поддерживать устойчивый круговорот питательных элементов.