Климат меняет круговорот азота: угроза для урожая и экологии

Изменение климата не только повышает температуру на планете и нарушает режим осадков – оно незаметно меняет глобальный круговорот азота в почвах полей, лесов и лугов. Этот скрытый сдвиг влечет за собой серьезные последствия для продовольственной безопасности, качества воды, биоразнообразия и климатической политики.

Азот является основным строительным материалом для белков и ДНК, и здоровье наземных экосистем зависит от его сбалансированного потока. Когда этот баланс нарушается, урожайность может падать, реки – «цвести» из-за водорослей, а в атмосферу – попадать больше парниковых газов. «В условиях потепления мира азот становится решающим фактором как для продовольственной безопасности, так и для здоровья окружающей среды, – говорит ведущий автор исследования Мяо Чжэн из Чжэцзянского университета. – Наша работа показывает, что изменение климата перестраивает азотные циклы таким образом, что это может либо поддержать устойчивое развитие, либо подтолкнуть экосистемы за критические пороги».

Новое исследование обобщает данные полевых экспериментов и глобальных моделей за 30 лет, чтобы изучить, как на азот влияют три ключевых климатических фактора: рост концентрации углекислого газа, повышение температуры и изменение режима осадков. Авторы сравнивают их воздействие на пахотные земли, леса и луга по всему миру, связывая эти изменения с такими целями человечества, как ликвидация голода и защита чистой воды. Анализ сотен локальных исследований позволил создать глобальную картину и количественно оценить, как меняются поступление, поглощение, накопление и потери азота в различных климатических условиях. Исследование также выявило значительное региональное неравенство: одни районы могут выиграть в продуктивности, тогда как другие столкнутся с растущими рисками неурожая и загрязнения.

Повышенная концентрация углекислого газа в атмосфере действует как обоюдоострый меч. С одной стороны, она стимулирует рост растений и повышает урожайность примерно на 10–27% в лесах и на лугах, и на 21% – для основных культур, таких как пшеница, рис, кукуруза и соя. С другой стороны, при высоком уровне CO₂ растения часто снижают содержание азота, что ухудшает качество зерна и листьев с точки зрения содержания белка. «Больше калорий не означает автоматически лучшее питание, – отмечает соавтор исследования Баоцзин Гу. – Мы можем собирать больше биомассы, но с меньшим содержанием азота на единицу массы, что важно как для рациона человека, так и для корма скота».

Повышение температуры рисует более тревожную картину, особенно для сельского хозяйства. Исследование показывает, что потепление в целом снижает урожайность ключевых культур – особенно уязвима кукуруза в тропических и засушливых регионах. Одновременно ускоряются потери активных соединений азота, которые улетучиваются в воздух и вымываются в воду. Теплые условия стимулируют почвенные микроорганизмы, ускоряя разложение органики и увеличивая выбросы аммиака, закиси азота и оксидов азота, а также вымывание нитратов в грунтовые воды и реки. Эти процессы усугубляют загрязнение воздуха, усиливают глобальное потепление и ухудшают качество воды, непропорционально сильно затрагивая развивающиеся регионы Африки, Латинской Америки и Азии.

Изменение режима осадков еще больше усложняет ситуацию. В засушливых регионах умеренное увеличение количества дождей может значительно стимулировать рост растений и поглощение азота, тогда как в более влажных районах засухи приводят к резкому падению продуктивности. Снижение количества осадков, как правило, подавляет микробную активность и сокращает потери азота, удерживая его в почве. Напротив, сильные и частые дожди могут вымывать нитраты в водоемы и усиливать газообразные выбросы азота, повышая риск цветения водорослей и выбросов парниковых газов.

В целом, исследование приходит к выводу, что изменение климата усиливает пространственное неравенство в работе азотных циклов и распределении рисков. Регионы, которые уже сталкиваются с отсутствием продовольственной безопасности и слабой защитой окружающей среды, скорее всего, испытают на себе наиболее пагубные сочетания потерь урожая, дефицита питательных веществ и загрязнения. В ответ авторы призывают к комплексному управлению азотом, которое связывает воедино агротехнику, управление водными ресурсами, климатическую политику и цели по сохранению биоразнообразия. Среди перспективных примеров – сочетание сбора дождевой воды с органическими удобрениями в мелких фермерских хозяйствах Африки и посадка азотфиксирующих деревьев в тропических лесах для поддержания естественного поступления азота.

«Нам нужно перестать относиться к азоту просто как к сельскохозяйственному ресурсу и начать управлять им как глобальным достоянием, – подчеркивает Чжэн. – Если мы будем разумно распоряжаться азотом в условиях изменения климата, мы сможем одновременно бороться с голодом, защищать чистую воду и ограничивать выбросы парниковых газов». Авторы утверждают, что азотный вопрос должен быть более полно интегрирован в международные климатические и природоохранные соглашения, включая Парижское соглашение и национальные климатические обязательства. Поскольку изменение климата ускоряется, скоординированные глобальные действия в отношении азота становятся необходимыми для удержания человечества и экосистем в безопасных границах.