Экологические и общественные издержки производства кукурузы сокращаются при учете неопределенности рекомендаций по нормам азота

Почему избыток удобрений важен для всех

Современное выращивание кукурузы в значительной степени зависит от азотных удобрений для получения зерна, которым кормят людей и скот, а также для производства биотоплива. Однако большая часть этого азота так и не усваивается растением. Он уходит в воздух и воду, способствуя изменению климата, загрязняя питьевую воду и нанося вред экосистемам. В этом исследовании поставлен на первый взгляд простой, но чрезвычайно важный вопрос: сколько азота могут безопасно сократить американские кукурузоводы, если честно учитывать неопределенность в рекомендациях по удобрениям?

Проблема потерянного азота

Кукуруза демонстрирует относительно низкую эффективность использования азота. В кукурузном поясе США фермеры вносят большие количества удобрений, но 50–70 процентов этого азота теряется с поля. Часть вымывается в реки и подземные воды в виде нитратов, вызывая цветение водорослей, зоны мёртвой воды и загрязнение питьевой воды, связанное с повышенным риском рака и пороков развития. Часть уходит в атмосферу в виде оксида азота — мощного парникового газа, который также разрушает озоновый слой, либо в виде других азотных газов, усугубляющих смог и мелкодисперсное загрязнение воздуха. Производство самих удобрений энергоёмко и обычно требует ископаемого топлива. При этом на многих полях удобрения не всегда вносятся в нужном количестве и в нужное время, из‑за чего одни культуры перекармливают, а другие недополучают питания.

Переосмысление «оптимального» совета по удобрениям

Руководства по внесению удобрений обычно предлагают единую «наилучшую» норму азота, которая либо максимизирует урожай (агрономический оптимум), либо прибыль (экономический оптимум). На практике эти величины неопределенны, поскольку почвенные условия, погода и рост посевов меняются из года в год и от места к месту. Фермеры это понимают и часто вносят дополнительный азот в качестве страховки против неудачи, превышая официальные рекомендации. Авторы использовали подробные полевые испытания в 49 точках в восьми штатах кукурузного пояса, чтобы построить статистические модели отклика урожайности кукурузы на возрастающие дозы азота. Вместо того чтобы считать оптимум фиксированной величиной, они задали его как распределение вероятностей, отражающее, насколько вероятны разные «лучшие» нормы на каждом участке.

Два шага к более безопасному использованию азота

Имея эти распределения вероятностей, команда исследовала, что произойдёт, если фермеры сократят удобрения в два этапа. На этапе I нормы азота снижаются со среднего уровня, максимизирующего урожай, до среднего уровня, максимизирующего прибыль. Такое изменение уже экономит деньги фермерам и уменьшает расход удобрений примерно на 8 процентов, при этом ожидаемая потеря урожая составляет менее половины процента — слишком мало, чтобы иметь экономическое значение. На этапе II нормы дополнительно уменьшают до консервативной точки на кривой прибыли, где вероятность потери урожая всё ещё низка, а величина возможной потери остаётся ниже примерно 1 процента. По всем участкам совокупное сокращение удобрений при сочетании обоих этапов составляет примерно 12–16 процентов с падением урожая всего на 0,48–1,43 процента, и даже такое незначительное уменьшение не гарантировано в каждый конкретный год.

Чище воздух, безопаснее вода, реальные деньги

Чтобы связать эти умеренные сокращения норм с реальными последствиями, авторы перевели уменьшение использования азота в изменения вымывания нитратов, эмиссии закиси азота и углекислого газа, связанного с производством и транспортировкой удобрений. В среднем сокращение удобрений на 12–16 процентов снизило эмиссию закиси азота примерно на 10 процентов, потери нитратов — примерно на 13 процентов, а выбросы CO2, связанные с удобрениями, — до 16 процентов в исследуемых сценариях. При масштабировании этих изменений на весь кукурузный пояс и использовании опубликованных оценок социальных затрат загрязнения авторы оценивают общественную выгоду примерно в 230–530 миллионов долларов в год только от чистого воздуха и воды. Эти оценки, вероятно, занижены, поскольку не включают все азотсодержащие загрязнители и экосистемные последствия.

Разделение рисков и выгод по пищевой цепочке

Хотя дальнейшее сокращение азота за пределами диапазона 12–16 процентов принесло бы ещё большие экологические выгоды, риск заметной потери урожая резко возрастает, делая такие сокращения неприемлемыми для фермеров, которые уже несут большую часть производственного риска. Авторы утверждают, что реалистичная политика в области климата и качества воды должна признать этот дисбаланс. Инструменты, такие как рынки азотных кредитов, групповые стимулы или страхование азота, могли бы использовать часть больших общественных выгод для компенсации фермерам редких потерь урожая. Рассматривая рекомендации по удобрениям как диапазоны неопределённости, а не магические числа, и разделяя риски и выгоды по всей продовольственной системе, общество может существенно сократить азотное загрязнение, не жертвуя продовольственной безопасностью.

Цитирование: Palmero, F., Davidson, E.A., Guan, K. et al. Environmental and societal costs of maize production decrease by addressing the uncertainty in nitrogen rate recommendations. Nat Commun 17, 2375 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68988-y

Ключевые слова: азотное удобрение, производство кукурузы, Корн-Белт, качество воды, парниковые газы