Длительное внесение навоза в почву снижает выбросы N2O из кислых почв за счет уменьшения подкисления и увеличения минерализации азота

Закись азота (N₂O) представляет собой один из наиболее опасных долгоживущих парниковых газов, разрушающий стратосферный озоновый слой. Его потенциал глобального потепления в 273 раза превышает аналогичный показатель для углекислого газа (CO₂) в столетнем масштабе. Основным источником роста концентрации N₂O в атмосфере являются сельскохозяйственные почвы, на долю которых приходится более половины всех антропогенных выбросов этого газа. Главная причина этого явления — интенсивное применение азотных удобрений в современном земледелии. В связи с этим глубокое понимание механизмов, регулирующих эмиссию N₂O из агроценозов, является критически важным для разработки стратегий управления, направленных на снижение парникового эффекта при сохранении высокого плодородия и продуктивности почв.

Образование и выделение N₂O в почве тесно связано с микробной трансформацией азота, включающей несколько ключевых процессов: минерализацию органического азота, нитрификацию (окисление аммония до нитрата) и денитрификацию (восстановление нитрата до молекулярного азота с образованием N₂O как промежуточного продукта). Эти процессы протекают одновременно в различных микрозонах почвы и регулируются специфическими группами микроорганизмов. Ключевыми функциональными генами, кодирующими соответствующие ферменты, являются гены sub, chiA, exo-chi (минерализация), AOA и AOB (археи и бактерии, окисляющие аммиак, нитрификация), а также nirK, nirS (образование N₂O) и nosZ (восстановление N₂O до N₂). Соотношение между N₂O-продуцирующими денитрификаторами (nirK/nirS) и N₂O-потребляющими (nosZ) во многом определяет эмиссионный потенциал почвы. Несмотря на обширные исследования, взаимодействие между этими процессами и их совокупное влияние на выбросы N₂O при долгосрочном применении различных типов удобрений остаются недостаточно изученными.

Интенсивное и длительное внесение минеральных азотных удобрений неизбежно приводит к подкислению почвы, дисбалансу питательных веществ и, как следствие, к росту эмиссии N₂O. В качестве эффективного агротехнического приема, позволяющего снизить кислотность, повысить доступность элементов питания и улучшить микробные сообщества, широко применяется внесение навоза. Однако его влияние на выбросы N₂O оценивается неоднозначно. Существуют две противоположные точки зрения: согласно первой, навоз снижает выбросы за счет иммобилизации азота и повышения pH, стимулирующего полную денитрификацию до N₂. Согласно второй — напротив, увеличение доступности углерода и азота, а также снижение кислотности стимулирует микробную активность и ведет к росту эмиссии N₂O, что может нивелировать положительный эффект от секвестрации углерода.

В связи с этим была поставлена цель — комплексно оценить влияние долгосрочного внесения минеральных удобрений и навоза на выбросы N₂O из кислых почв, а также выявить основные механизмы, лежащие в основе этих изменений. Исследование базировалось на гипотезе о том, что длительное применение навоза будет стимулировать эмиссию N₂O в кислых почвах, главным образом за счет снижения кислотности и усиления минерализации азота, что увеличивает доступность субстрата для нитрификации и денитрификации.

Для проверки этой гипотезы были использованы образцы почвы, отобранные в ходе 36-летнего полевого эксперимента на станции Института красных почв и зародышевой плазмы в провинции Цзянси (Китай). Регион характеризуется субтропическим муссонным климатом, а почва классифицируется как ферралический камбисоль. Исследование включало пять вариантов длительного внесения удобрений: неудобренный контроль (CK); внесение минеральных удобрений в одинарной (F) и двойной (2F) дозе; внесение навоза (M); совместное внесение минеральных удобрений и навоза (FM). В отобранных образцах проводили микрокосмный инкубационный эксперимент для измерения эмиссии N₂O и CO₂, определяли показатели трансформации азота (скорости минерализации и нитрификации, эффективность использования азота микроорганизмами), а также анализировали физико-химические свойства почвы (pH, содержание углерода, азота, фосфора, структуру агрегатов) и численность функциональных генов азотного цикла с помощью количественной ПЦР.

Результаты исследования продемонстрировали значительное влияние типа удобрения на эмиссию N₂O. Наибольшие выбросы были зафиксированы в вариантах с внесением навоза (M и FM), где они превысили показатели неудобренного контроля и вариантов с минеральными удобрениями в десятки раз. Причем совместное внесение навоза и минеральных удобрений (FM) привело к максимальным значениям. Эмиссия CO₂ также была существенно выше в вариантах с навозом, что указывает на высокую микробную активность.

Анализ процессов трансформации азота показал, что внесение навоза значительно (в 4,6–8,3 раза) увеличило валовую скорость минерализации азота и снизило эффективность его использования микроорганизмами, что привело к накоплению доступных форм азота. При этом валовая скорость нитрификации в вариантах с навозом была ниже, чем при внесении одних минеральных удобрений, но выше, чем в контроле.

Изучение функциональных генов выявило, что внесение навоза многократно увеличило численность генов, ответственных за минерализацию азота (sub, chiA, exo-chi). В отличие от этого, численность генов, связанных с денитрификацией (nirK, nirS, nosZ), также значительно возросла, причем соотношение (nirK+nirS)/nosZ увеличилось, что свидетельствует о сдвиге в сторону доминирования N₂O-продуцирующих микроорганизмов над N₂O-потребляющими. Интересно, что численность аммонийокисляющих архей (AOA) была на порядок выше, чем бактерий (AOB), однако именно AOB, а не AOA, показали сильную положительную корреляцию с выбросами N₂O и содержанием нитратов.

Длительное применение навоза привело к существенным изменениям физико-химических свойств почвы. Наиболее важными изменениями стали: значительное повышение pH (с кислых значений около 4,6 до нейтральных 5,9–6,1), увеличение содержания органического углерода, общего и доступного азота и фосфора, а также улучшение структуры почвы (рост средневзвешенного диаметра агрегатов и доли макроагрегатов). Активность ферментов, участвующих в углеродном и азотном циклах (β-1,4-глюкозидаза, N-ацетилглюкозаминидаза), также была максимальной в вариантах с навозом.

Статистический анализ, включая дисперсионный анализ и моделирование структурными уравнениями (SEM), позволил выявить основные факторы, контролирующие эмиссию N₂O. Было установлено, что физико-химические свойства почвы являются первичными драйверами, которые опосредованно влияют на выбросы, изменяя микробные процессы. SEM показал, что именно денитрификация (путь через гены nirK, nirS, nosZ) оказывает самое сильное прямое положительное влияние на выбросы N₂O. В то время как нитрификация играла косвенную роль, поставляя нитратный субстрат для денитрификации. Вклад минерализации азота заключался в обеспечении доступного азота и углерода, стимулирующих весь процесс.

Полученные результаты позволяют сформулировать ключевые механизмы, объясняющие увеличение выбросов N₂O при длительном внесении навоза в кислые почвы.

Во-первых, навоз выступает в роли мощного источника легкоусвояемого углерода и азота. Это приводит к снижению эффективности использования азота микроорганизмами и резкому увеличению скорости минерализации, что, в свою очередь, создает избыток субстрата (NH₄⁺ и NO₃⁻) для последующих процессов трансформации. Высокая концентрация нитратов особенно важна, так как она не только служит субстратом для денитрификации, но и подавляет восстановление N₂O до N₂, способствуя его накоплению.

Во-вторых, ключевую роль играет повышение pH. Длительное внесение навоза эффективно нейтрализует кислотность, создавая благоприятные условия для развития денитрифицирующих бактерий. В отличие от распространенного мнения о том, что рост pH подавляет выбросы N₂O за счет стимуляции nosZ, в данном исследовании повышение pH привело к еще более сильному росту численности nirK и nirS, что сместило баланс в сторону образования N₂O, а не его потребления. Таким образом, нейтрализация кислотности в данном случае стала фактором роста эмиссии.

В-третьих, внесение навоза значительно улучшило структурное состояние почвы, увеличив долю водопрочных макроагрегатов. Это, в сочетании с высоким содержанием доступного углерода, стимулирует гетеротрофное дыхание (о чем свидетельствует рост эмиссии CO₂), которое приводит к формированию локальных анаэробных зон внутри агрегатов — идеальных условий для протекания денитрификации.

В-четвертых, важную роль сыграла повышенная доступность фосфора. Положительная корреляция между содержанием доступного фосфора, активностью микробов и выбросами N₂O указывает на то, что фосфор, как необходимый элемент для синтеза клеточных структур и энергетического метаболизма, может лимитировать и стимулировать денитрификацию.

Таким образом, результаты исследования опровергли исходную гипотезу о том, что навоз снижает выбросы N₂O, и подтвердили, что его длительное применение в кислых почвах приводит к значительному росту эмиссии. Основной вклад в этот процесс вносит стимуляция денитрификации, обусловленная комплексным воздействием: повышением доступности субстратов (углерода, азота, фосфора), улучшением структуры почвы и, что особенно важно, снижением кислотности, которое в данных условиях способствовало росту N₂O-продуцирующих бактерий. Полученные данные имеют важное практическое значение. Они свидетельствуют о том, что при оценке экологической эффективности применения навоза как средства повышения плодородия и секвестрации углерода необходимо учитывать «компенсирующий» эффект в виде возросших выбросов N₂O. Разработка стратегий устойчивого земледелия должна базироваться на комплексном понимании этих процессов.

В заключение следует отметить, что, несмотря на полученные важные результаты, работа имеет определенные ограничения. Выводы о роли денитрификации основаны на численности функциональных генов, а не на прямых измерениях скорости процесса. Кроме того, исследование было проведено на одном типе почвы, что требует дальнейшей проверки выводов в различных агроэкологических условиях с использованием комплексных методов, включая изотопное мечение и метагеномный анализ, для более полного понимания сложных микробных взаимодействий, регулирующих круговорот азота и выбросы парниковых газов.


Источник: Journal of Integrative Agriculture