Как решить проблему сельскохозяйственного стока питательных веществ?
Сток с ферм Среднего Запада США — главный источник обширной «мертвой зоны» в Мексиканском заливе. Азот, фосфор и другие питательные вещества попадают в реку Миссисипи, которая впадает в залив, вызывая бурный рост водорослей и гибель другой водной жизни. Иллинойс — один из основных виновников этой экологической проблемы.
Масштаб проблемы и вклад Иллинойса
Летом 2023 года площадь мертвой зоны в заливе составила 6334 квадратных миль, что больше исторического среднего показателя. Рекордная площадь (8776 кв. миль) была зафиксирована в 2017 году. В Иллинойсе неорганизованные источники (в основном сельское хозяйство) дают 80% азота и около половины фосфора в реки и ручьи. Иллинойс и Айова — крупнейшие поставщики питательных веществ в залив. Оба штата разработали стратегии по сокращению потерь с целью уменьшить потери азота и фосфора на 45% к 2035 году.
Почему проблему стока не удается решить?
Причины сложны. Сокращение нормы внесения азотных удобрений на 25% в одном из исследований снизило урожайность кукурузы на 10%, но почти не повлияло на потери нитратов через дренажные системы.
Ключевое значение имеют сроки и метод внесения удобрений. Например, потери нитратов через дренаж значительно выше при осеннем внесении азота по сравнению с весенним (непосредственно перед посевом кукурузы).
Производство сои также усугубляет потери нитратов. Они образуются в результате микробного разложения растительных остатков и органического вещества почвы, когда в ней заканчивается легкодоступный углерод. Образовавшийся в межсезонье нитрат легко вымывается. Эта «утечка» в системе не устраняется.
Эффективность государственных программ
Пока рано видеть эффект природоохранных мер для всего бассейна Миссисипи. 30-летний мониторинг реки Эмбарас не показывает улучшения качества воды, так как в центральном Иллинойсе еще мало внедренных практик.
Три программы двигают фермеров к внедрению природоохранных методов:
- Fall Covers for Spring Savings — программа покровных культур от Департамента сельского хозяйства Иллинойса.
- Saving Tomorrow’s Agriculture Resources — программа по обучению фермеров рациональному использованию питательных веществ.
- Precision Conservation Management — программа Ассоциации производителей кукурузы Иллинойса, помогающая получить экономическую выгоду от природоохранных практик.
Биореакторы и искусственные водно-болотные угодья
Биореакторы — траншеи с древесной щепой, где в процессе денитрификации удаляется нитрат из дренажных вод. Их эффективность в текущих испытаниях на одной из ферм разочаровывает — удаляется менее 20% нитратов. Изучается, улучшит ли работу и срок службы реакторов почвенный слой поверх щепы. Очень влажные годы — серьезное испытание для таких «конечных» решений.
Искусственные водно-болотные угодья удаляют 50% нитратов и приносят другую пользу экосистеме. Однако их размещение ограничено рельефом, а изъятие земли из оборота делает их непривлекательными для фермеров.
Цветочные буферные полосы полезны для опылителей и борьбы с эрозией, но мало влияют на потери питательных веществ с дренируемых полей.
Ключевая роль углерода почвы
Самый критический вопрос — повышение содержания почвенного углерода. Его потери на дренируемых полях при традиционном земледелии продолжаются. Потери нитратов через дренаж — следствие потерь углерода, так как циклы углерода и азота неразрывно связаны.
Переход с навоза на неорганические азотные удобрения после Второй мировой войны «развязал» эти циклы. Внесение азота без достаточного количества углерода делает систему «протекающей».
Лучшие способы борьбы с потерями углерода:
- Минимальная обработка почвы.
- Посадка покровных культур на зиму (например, озимой ржи).
Озимая рожь также отлично улавливает азот: при ее посеве перед соей потери нитратов через дренаж регулярно снижаются более чем на 40%.
Экономика различных подходов
Необходимы долгосрочные данные для оценки затрат и выгод.
- Покровные культуры (внутрипольное решение) — лучший путь вперед, так как они напрямую влияют на цикл углерода, доступность питательных веществ и здоровье почвы. Они несут ежегодные затраты и риски для урожайности, но улавливают нитраты в межсезонье, удерживая их в поле.
- Биореакторы и буферные зоны (технологии «в конце трубы») мало влияют на здоровье почвы, но могут быть привлекательнее для фермеров, так как не требуют менять практики в поле и не несут рисков для производства.
Исследование сравнения традиционного севооборота кукуруза-соя с более разнообразным (кукуруза-соя-пшеница с двойным урожаем сои после пшеницы и озимой рожью после кукурузы) показало:
- Прибыль фермера за 6 лет была одинаковой.
- Потери нитратов через дренаж снизились более чем на 30%.
- В последний год кукуруза в разнообразном севообороте дала на 25 бушелей с акра больше.
Это указывает, что разнообразный севооборот может повысить круговорот нитратов, увеличить урожайность и сократить их потери.