Высокая доступность N снижает поглощение N и урожайность при ограниченном наличии воды в кукурузе.

Apr 13, 2024

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14269 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Вода и азот (N) являются наиболее ограничивающими факторами для продуктивности растений во всем мире, но нам не хватает критического понимания того, как доступность воды влияет на динамику N в сельскохозяйственных системах. Потребности растений в азоте особенно неопределенны, когда вода ограничена из-за взаимодействия воды и азота на рост растений, потребность в азоте и поглощение растениями. Мы исследовали влияние применения N и доступности воды на рост растений и перемещение N, включая надземный и подземный рост, продуктивность воды, продуктивность N, поглощение N, восстановление N и выбросы парниковых газов в полузасушливой системе на северо-востоке Колорадо, США. Умеренно высокая доступность азота в почве снижала урожайность зерна и рост побегов как при ограниченном, так и при полном наличии воды, несмотря на отсутствие признаков физической токсичности, и сопровождалась дополнительным риском вредных потерь азота. При низкой доступности N концентрации растительного N в надземных тканях показали большее восстановление N, чем при обработке с низким содержанием N как при полной, так и при ограниченной доступности воды. Такое ускоренное восстановление подчеркивает необходимость лучшего понимания как добывания растительной почвы пищи, так и процессов, определяющих доступность ресурсов в этих условиях. Наконец, ограниченная доступность воды снизила поглощение N при всех обработках N и оставила на 30% больше нитратов почвы (NO3-) глубоко в профиле почвы в конце сезона, чем при полной доступности воды. Наши результаты показывают, что потребности растений в азоте не связаны линейно с использованием воды, и подчеркивают необходимость комплексного понимания взаимодействия воды и азота, поиска растениями этих ресурсов и динамики процессов, которые делают азот доступным для растений.

Снижение доступности воды в сельском хозяйстве в сочетании с увеличением спроса на продовольствие предполагает острую необходимость повышения эффективности использования воды в сельском хозяйстве1. Одновременно существует необходимость оптимизировать внесение азота из-за высоких затрат на удобрения и многочисленных негативных последствий для окружающей среды, включая ухудшение качества воды и выбросы парниковых газов2. Кукуруза (Zea mays) – культура мирового значения, использование которой часто ограничено запасами воды и азота. В восточном Колорадо кукуруза является доминирующей орошаемой культурой. Однако истощение подземных вод, переменный снежный покров и растущие потребности городов и промышленных предприятий в воде создают нагрузку на водоснабжение во всем регионе3,4,5,6. Поскольку проблемы управления водными ресурсами и азотом часто возникают одновременно, исследования, которые одновременно рассматривают эти факторы, открывают большие перспективы для повышения эффективности использования ресурсов и снижения воздействия на окружающую среду.

Время доступности воды влияет на продуктивность воды растениями (урожайность растений на единицу воды, используемой культурой), поскольку воспроизводство растений часто более чувствительно к ограничениям воды на определенных стадиях роста, например, при опылении и завязывании семян7,8,9,10. И наоборот, на урожайность зерна кукурузы оказывается меньшее влияние, когда ограничения по воде возникают на вегетативных стадиях, особенно на поздней вегетативной стадии после укоренения растения и обеспечения начального роста7, 8. Однако ограничения на воду и время их возникновения также влияют на развитие побегов и корневой системы. , что, в свою очередь, может повлиять на потребности растений в азоте.

Потребности растений в азоте являются неопределенными, когда вода ограничена из-за взаимодействия воды и азота на рост растений, потребность растений в азоте и поглощение растениями. Например, растения, выращенные в условиях ограниченного доступа к воде, обычно имеют меньшую вегетативную биомассу, особенно по отношению к корневой системе, поскольку расширение клеток в побегах более чувствительно к ограничению воды, чем в корнях11. В результате этого сдвиг в распределении корней и побегов может, наоборот, снизить потребность растений в азоте, одновременно увеличивая добычу почвенных ресурсов. В то же время способность корней поглощать N зависит от доступности воды12, поэтому более низкая влажность почвы потенциально может препятствовать поглощению N. Значительные усилия были предприняты для оптимизации управления азотом при выращивании кукурузы с ограниченным количеством воды13,14,15,16,17 и определения снижения содержания N, которое может обеспечить максимальный рост и урожайность при ограничении воды. Однако определение оптимального сокращения внесения азота для кукурузы в условиях ограничения полива является непростой задачей, поскольку некоторые исследования показывают, что дополнительный азот, вносимый во время ограничения полива, может повысить урожайность зерна кукурузы и эффективность использования воды14, 18,19,20.