Могут ли африканские фермеры сократить зависимость от минеральных удобрений с помощью бобовых?

Ликвидация голода к 2030 году — одна из Целей устойчивого развития ООН. Это огромная проблема для Африки к югу от Сахары, где треть домохозяйств всё ещё сталкивается с отсутствием продовольственной безопасности. Для удовлетворения потребностей быстро растущего населения широко признано, что фермерам необходимо повышать урожайность зерновых культур.

Урожайность в регионе сильно ограничена истощёнными почвами после десятилетий интенсивного земледелия с недостаточным удобрением. Африканские фермеры не могут получить доступ к доступным минеральным удобрениям, а нехватка биомассы делает недоступными и органические удобрения.

В настоящее время количество вносимого азота необходимо увеличить в 15 раз для получения урожаев зерновых, требуемых для продовольственной безопасности.

Ценные питательные вещества в сидератах

Минеральные удобрения — одно из решений для снабжения культур азотом. Хотя они имеют решающее значение для повышения урожайности, их избыток может навредить окружающей среде, и они часто слишком дороги для фермеров. Война в Украине усугубила дефицит удобрений в регионе.

Другой метод удобрения использует азот из бобовых культур. Благодаря симбиотическим бактериям эти растения обладают уникальной способностью фиксировать атмосферный азот в своих тканях. Чтобы обеспечить им зерновые культуры, фермеры могут применять технику: выращивать бобовые и заделывать их остатки в почву перед посевом зерновых.

Этот эффект хорошо известен в умеренных и тропических системах, но может значительно варьироваться. При резком повышении температуры остатки бобовых разлагаются быстрее, а сильные дожди могут вызвать вымывание азота.

Удобрения, климат и рост риса на Мадагаскаре

Более 20 лет FOFIFA (Национальный центр прикладных исследований в области сельского развития) и CIRAD исследуют пути устойчивой интенсификации сельскохозяйственного производства на Мадагаскаре.

В недавнем исследовании мы изучили возможность повышения урожайности риса на богарных землях Мадагаскара путём замены части минеральных удобрений сидератами. Политика страны предусматривает увеличение производства риса для обеспечения продовольственной самодостаточности.

Как насыщение пойм, используемых для орошаемого риса, так и появление сортов суходольного риса привели многих фермеров к возделыванию богарного риса в высокогорьях Мадагаскара.

Однако они в настоящее время получают средний урожай 1.6 т/га, что значительно ниже максимального урожая около 4–6 т/га, достижимого на опытных станциях, когда питательные вещества не ограничены, а вредители контролируются.

Мукуна и Кроталярия

В нашем эксперименте сидератами были бобовые «Мукуна» и «Кроталярия». Благодаря комплементарному росту и надземной структуре эти два растения могут производить большое количество биомассы и фиксировать атмосферный азот. Этот сидерат выращивали в сезон дождей в первый год двухлетнего севооборота на основе богарного риса, а остатки затем заделывали в почву перед вспашкой и посевом риса в следующем сезоне.

Севооборот был повторён дважды для целей эксперимента и сравнён с монокультурой риса. Мы провели тщательный мониторинг, измеряя количество азота в почве и растениях, динамику роста риса, произведённую биомассу и урожай зерна. Собранные данные позволили адаптировать модель имитации сельскохозяйственных культур к случаю богарного риса на Мадагаскаре, чтобы воспроизвести влияние заделки и разложения сидератов на рост риса.

Многообещающая модель

Затем модель позволила нам изучить потенциальные преимущества сидератов для роста риса в течение 24 гипотетических сезонов выращивания риса, построенных с использованием климатических измерений за период с 1994 по 2018 год. В этом виртуальном эксперименте мы установили количество сидерата, заделываемого в почву перед выращиванием риса, на уровне 6 т/га (или 140 кг азота), на основе полевых результатов.

Наши выводы показали, что выращивание и заделка сидератов позволяют сократить количество минеральных удобрений, необходимых для повышения урожайности риса. Мы установили целевую урожайность на уровне 3.7 т/га, или 75% от максимального урожая, полученного в стационарных экспериментах. Мы достигли этого с 40 кг/га азота, предоставленного минеральными удобрениями, при добавлении сидерата в почву. Для сравнения, без использования сидератов требовалось более чем вдвое больше — 100 кг/га.

Необходимые компромиссы

Эта многообещающая практика, тем не менее, требует значительной адаптации, чтобы стать привлекательной для семейных ферм на Мадагаскаре. Необходимо учитывать три ключевых аспекта.

Во-первых, сильные дожди снизят пользу сидератов для продуктивности риса. Чтобы решить эту проблему, фермерам придётся динамически управлять остатками и удобрениями, адаптируя их к конкретным культурам.

Во-вторых, выгоды от использования сидератов не полностью компенсируют потери от их выращивания. В процессе фермеры должны использовать часть земли, которая в противном случае служила бы для выращивания риса для самообеспечения. Севооборот помогает решить эту проблему, а также помогает контролировать вредителей, нематод и сорняки, повышает плодородие почвы со временем и поддерживает биоразнообразие.

Наконец, остатки урожая в регионе обычно оставляют на земле для выпаса скота. Поэтому требуются альтернативные решения для кормления скота, и необходимо развивать соответствующие цепочки создания стоимости, чтобы гарантировать поставки для этих фермеров, которые часто живут далеко от инфраструктуры. Также важно обеспечить существование механизмов для компенсации этих дополнительных расходов для хозяйств, большинство из которых живут на менее чем 540 евро в год на одного сельскохозяйственного работника.

Бобовые двойного назначения

Препятствия, связанные с осадками, можно преодолеть, скорректировав сроки заделки сидератов и посева риса. Откалиброванная нами модель может помочь провести такую оценку in silico.

Аналогично, фермерам не обязательно выбирать между продовольственной безопасностью и удобрениями. Некоторые зернобобовые культуры, такие как арахис, можно использовать как в качестве сидерата, так и в пищу. Эксперименты в Южной Африке в настоящее время сосредоточены на оценке этих «двойных» севооборотов с бобовыми. Однако важно обеспечить наличие рынка сбыта для этой продукции по достаточно высокой цене.

Времени мало, но мы убеждены, что быстрые изменения возможны для трансформации нынешней системы производства зерновых в сторону большей продуктивности и устойчивости. Решения, включая сидераты, существуют, но специалисты по распространению знаний, исследователи, участники цепочек создания стоимости и политики должны помочь фермерам инвестировать в эти методы, которые максимизируют производство в краткосрочной перспективе, но будут более устойчивыми в долгосрочной.

В последние десятилетия появилось много талантливых африканских исследователей. Теперь лидерам предстоит принимать решения.