В сельском хозяйстве азотные удобрения часто не применяются в соответствии с месторасположением и использованием. Если уровень слишком высок, растения не полностью усваивают азот. В результате избыточный азот вымывается в грунтовые и поверхностные воды в виде нитратов – проблема, которая возникает в нескольких странах ЕС.
Например, в 2018 году Европейский суд (ECJ) осудил страны ЕС, включая Германию, за нарушение Директивы ЕС о нитратах. В прошлом году Комиссия ЕС напомнила Германии о необходимости выполнения постановления Европейского суда.
Какая часть азота, внесенного путем удобрения, может попасть в грунтовые и поверхностные воды в виде нитратов или денитрифицирована (i.е. превращается в молекулярный азот и оксиды азота и выбрасывается в воздух) зависит, среди прочего, от сложных процессов в почве. Команда исследователей УФЗ и U.S. партнеры во главе с гидрологом доктором Рохини Кумар теперь более подробно проанализировали, какие процессы определяют судьбу избыточного азота.
Основное внимание уделяется гидрологическим и биогеохимическим процессам в корневой зоне (i.е. площадь, которая простирается от поверхности почвы до глубины одного метра). «Корневая зона – это наиболее динамичная и активная часть подпочвенного слоя, на которую существенно влияют влажность почвы, испарение и сухая / влажная фаза», – говорит Кумар. Он действует как гидроклиматический и биогеохимический фильтр между поверхностью и более глубокими подповерхностными слоями.
Уязвимость сельскохозяйственных земель к вымыванию нитратами до сих пор описывалась с использованием статической информации о землепользовании, почвах и топографии ландшафта в сочетании со средними осадками и уровнями грунтовых вод – без учета их временной изменчивости. "Однако осадки и температура меняются ежедневно. Это влияет на испарение и почвенную воду и, в конечном итоге, на время удерживания и перенос воды в более глубокие слои.
Поэтому средние значения, используемые для описания статического состояния, менее подходят с сегодняшней точки зрения », – объясняет Кумар. Поэтому исследователи используют динамический подход для расчета, как долго растворенный нитрат может оставаться в корневой зоне, прежде чем выщелачивается на более глубокие уровни. Они сочетают в себе mHM (мезомасштабную гидрологическую модель), разработанную на УФЗ, с расчетами суточного изменения удержания воды и нитратов в корневой зоне, а также денитрификации.
С помощью mHM ученые могут моделировать пространственно-временное распределение гидрологической динамики, а также динамику переноса, происходящую в корневой зоне по всей Европе в течение последних 65 лет.
С новым подходом исследователи UFZ пришли к выводу, что в течение как минимум четырех месяцев в году почти 75% сельскохозяйственных земель Европы уязвимы для выщелачивания нитратов в грунтовые и поверхностные воды. Если использовать статический подход, эта доля составляет всего 42%. «Поскольку пространственно-временная динамика водного транспорта не была принята во внимание при оценке уязвимости при разграничении зон, уязвимых для нитратов, пространственная протяженность зон, уязвимых для нитратов, сильно недооценена», – заключает соавтор и гидрогеолог UFZ д-р Андреас Мусольф.
Это касается, в частности, районов на востоке и северо-востоке Германии, Пиренейского полуострова и некоторых стран Восточной Европы.
По мнению исследователей UFZ, новые результаты могут лучше помочь в управлении рисками азота в сельском хозяйстве. «Фермеры могут использовать более точную информацию для более точной корректировки режима внесения удобрений, тем самым гарантируя, что как можно меньше нитратов будет присутствовать в почве в особенно критические месяцы», – говорит Мусольф.
Это предотвратит попадание дополнительных нитратов в грунтовые и поверхностные воды. «Это исследование, посвященное почвенной зоне, является отправной точкой для комплексной оценки рисков, связанных с содержанием нитратов в грунтовых и поверхностных водах. За ним последуют дальнейшие исследования транспорта и денитрификации в недрах, грунтовых и поверхностных водах », – говорит Кумар.