Оптимизация внесения азота на основе моделей для пшеницы хлебной (Triticum aestivum L.) в центральной Оромии, Эфиопия с использованием CERES-wheat

Почему более разумное использование удобрений важно для пшеницы и людей

Хлебная пшеница является краеугольным камнем продовольственной безопасности в Эфиопии, но многие фермеры получают универсальные рекомендации по удобрениям, которые игнорируют различия в почвах и погоде между участками и годами. Это исследование задаёт простой вопрос с большими последствиями для фермеров, потребителей и окружающей среды: сколько азотных удобрений следует вносить под пшеницу и когда их применять, чтобы получать хорошие урожаи, справедливую прибыль и меньше загрязнения сегодня и в условиях будущих климатических изменений?

От одинаковых правил к адаптированным решениям

В центральной Оромии большинство полей пшеницы обрабатывают с единым нормированием азота, хотя фермы различаются по высоте над уровнем моря, осадкам и качеству почвы. При этом климатическая изменчивость приносит частые колебания между засушливыми и влажными сезонами, что может приводить к недостаточному использованию удобрений в сухие годы или их потере в глубокие горизонты и воды в сырые годы. Исследователи сосредоточились на трёх ключевых районах производства пшеницы — Дегем, Фитче и Бишофтю — и использовали проверенную модель роста культур CERES-Wheat в составе ПО DSSAT, чтобы изучить реакцию пшеницы на разные дозы азота и разделённые внесения в этих точках.

Использование виртуального поля для проверки множества сценариев

Вместо опоры только на короткие полевые испытания команда создала детализированную виртуальную копию каждого участка, включая местные метеорологические записи, свойства почвы и практики управления. Затем они провели компьютерные эксперименты за многие годы, тестируя несколько норм азота — от нулевой до 115 кг/га — и разные сроки внесения: всё при посеве, разделённо на два внесения или на три внесения в ключевые фазы роста. Эксперименты повторяли при текущем климате и при двух будущих климатических сценариях на 2050-е и 2080-е годы, представляющих средние и высокие уровни выбросов парниковых газов. Для каждого прогона отслеживали урожай зерна, общий прирост биомассы, поглощение азота растением, потери азота из почвы и ожидаемый доход фермерского хозяйства.

Более целевое внесение азота повышает урожай и доходы

Симуляции показали, что урожай и общий рост растений резко увеличивались с ростом доз азота, при этом наилучшая производительность обычно наблюдалась при наивысшей протестированной норме 115 кг/га при внесении в две или три хорошо рассчитанные дозы. В Дегеме и Бишофтю трёхкратное разделение этой нормы дало лучшие биологические и экономические результаты, тогда как в Фитче две подачи были почти столь же продуктивны и более практичны для фермеров с ограниченной рабочей силой. По сравнению с отсутствием удобрений эти стратегии более чем удваивали урожай и приносили значительно большую чистую прибыль. Анализ также показал, что в условиях будущего потепления и повышенной концентрации углекислого газа пшеница в этих районах, вероятно, будет требовать ещё большего количества азота для достижения экономического оптимума, причём оптимальные нормы прогнозируются в диапазоне примерно от 158 до 191 кг/га в зависимости от местоположения.

Экологические компромиссы и климатическое давление

Помимо урожая и прибыли, исследование рассмотрело взаимодействие управления азотом с окружающей средой. Модель показала, что закись азота (N2O), мощный парниковый газ, выделяющийся из почв, увеличивается с ростом норм азота и числа разделённых внесений, что подчёркивает компромисс между максимизацией производства и ограничением эмиссий. Напротив, вымывание нитратов, которое может загрязнять воду, в симуляциях оказалось не очень чувствительным к норме или разделению удобрений; главным драйвером здесь были изменения режима осадков и климатические условия. Это означает, что даже при грамотном управлении удобрениями их может смывать ниже корневой зоны в очень влажные годы, и будущие изменения климата могут усилить этот риск, особенно при сценариях с высокими выбросами.

Что это означает для фермеров и политики

Для неспециалистов основной вывод ясен: фиксированные, универсальные правила по удобрениям вряд ли будут хорошим решением для фермеров и окружающей среды в условиях меняющегося климата. Исследование показывает, что компьютерные модели могут быть мощным инструментом для разработки адаптированных к участку и климату стратегий внесения удобрений, которые повышают урожай пшеницы и доходы фермеров, одновременно контролируя загрязнение и выбросы парниковых газов. Тем не менее авторы подчёркивают, что их рекомендуемые нормы — это отправные точки, основанные на симуляциях, а не окончательные предписания. Они призывают к многолетним и многоплощадочным полевым испытаниям для подтверждения результатов модели перед масштабным внедрением, а также к программам обучения, помогающим сельскохозяйственным консультантам и фермерам перейти от жёстких рецептов к гибкому управлению азотом, учитывающему местные почвы, цены и погоду.

Цитирование: Kibebew, S., Dechassa, N., Alemayehu, Y. et al. Model-based nitrogen optimization for bread wheat (Triticum aestivum L.) production in central Oromia, Ethiopia using CERES-wheat. Sci Rep 16, 16336 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45892-5

Ключевые слова: пшеница, азотные удобрения, моделирование урожая, изменение климата, Эфиопия