Тверда пшениця, наріжний камінь середземноморського сільського господарства і найважливіша культура для виробництва макаронних виробів, стикається з нагальною проблемою: нераціональне використання азотних добрив.
Хоча азот необхідний для максимізації врожайності, його надмірне застосування має жахливі екологічні наслідки, включаючи забруднення ґрунтових вод, викиди парникових газів та деградацію ґрунтів.
Революційне чотирирічне дослідження (2018-2022 рр.), проведене в Асціано, Італія, і опубліковане в Європейському агрономічному журналі, мало на меті вирішити цю кризу шляхом ретельного порівняння традиційного управління азотом з передовими методами точного землеробства.
Дослідження було зосереджено на трьох супутникових стратегіях - індексі азотного живлення (NNI), пропорційному NDVI (NDVIH) та компенсаційному NDVI (NDVIL) - у порівнянні з традиційним рівномірним внесенням азоту. Отримані результати не лише розкривають шлях до сталого вирощування твердої пшениці, але й з надзвичайною точністю визначають економічні та екологічні компроміси кожного методу.
Методологія: Точне землеробство зустрічається з супутниковими технологіями
Експеримент розгортався протягом чотирьох послідовних вегетаційних сезонів на пагорбах Тоскани, регіону, що є символом середземноморського вирощування пшениці. Дослідники розділили тестові поля на ділянки, на яких застосовували чотири різні стратегії внесення азоту.
Традиційний підхід “фіксованої норми” відповідав регіональним агрономічним рекомендаціям і передбачав внесення 150 кг азоту на гектар щорічно. На противагу цьому, прецизійні методи використовували супутникові знімки Sentinel-2 - місії Європейського космічного агентства, що надає мультиспектральні дані з високою роздільною здатністю (10 метрів), щоб адаптувати внесення азоту в просторі та часі.
Стратегія NNI вирізнялася тим, що вона розраховувала азотний статус сільськогосподарських культур у реальному часі за допомогою перевіреного алгоритму, який інтегрує індекс листкової поверхні та оцінки біомаси. NDVIH розподіляв азот пропорційно на основі щільності рослинності (нормалізований різницевий вегетаційний індекс), тоді як NDVIL застосував компенсаційний підхід, спрямовуючи додатковий азот у зони з низьким рівнем рослинності.
NNI перевершує традиційні стратегії та стратегії на основі NDVI
За період дослідження метод NNI продемонстрував безпрецедентну ефективність. Він дозволив скоротити використання азоту на 20%, вносячи лише 120 кг на гектар порівняно з традиційними 150 кг, зберігаючи при цьому статистично еквівалентну врожайність зерна на рівні 4,8 т/га порівняно з 4,7 т/га за фіксованої норми внесення добрив.
Вміст білка - критично важливий показник якості для кінцевого використання твердої пшениці в макаронних виробах - досяг 13,2% за допомогою NNI, що трохи перевищує показник традиційного методу 12,5%.
Цей незначний приріст білка призвів до значних промислових переваг: тісто, виготовлене з NNI-оптимізованої пшениці, показало W-індекс (показник міцності клейковини) 280, що значно перевищує 240, які спостерігаються у звичайної пшениці.
Такі покращення стали можливими завдяки здатності NNI синхронізувати доступність азоту зі стадіями розвитку культури, забезпечуючи оптимальний розподіл поживних речовин під час наливу зерна.
Приховані витрати підходів на основі NDVI
Стратегії, засновані на NDVI, хоча і були інноваційними, виявили критичні обмеження. Пропорційний підхід NDVIH, який розподіляє азот на основі зеленого кольору пологу, збільшує вміст білка до 13,81 т/га, але зменшує врожайність до 4,5 т/га - на 61 т/га менше порівняно з NNI.
Цей парадокс виник через надмірне внесення добрив у вже багатих на азот зонах, де надмірний вегетативний ріст відволікав енергію від виробництва зерна.
Компенсаційний метод NDVIL, розроблений для підвищення врожайності на проблемних ділянках, дозволив отримати найвищу врожайність (5,1 т/га), але за високу екологічну ціну: він потребував 160 кг азоту на гектар, що призвело до різкого збільшення викидів закису азоту на 33% (1,4 кг CO2-еквіваленту на кг зерна) порівняно з 0,8 кг при використанні NNI.
Ці викиди мають велике значення - закис азоту має в 265 разів більший потенціал глобального потепління, ніж вуглекислий газ протягом століття.
З економічної точки зору NNI виявилася беззаперечним переможцем. Фермери, які застосовували цю стратегію, отримали чистий прибуток у розмірі 220 євро з гектара, що на 121 т/га більше, ніж при використанні традиційного методу (196 євро). Ця перевага зумовлена двома факторами: зниженням витрат на добрива (98 євро/га проти 123 євро/га) та преміальною ціною на зерно з високим вмістом протеїну.
У дослідженні було запроваджено новий показник “соціальних витрат” - комплексний вимір шкоди довкіллю, впливу на здоров'я населення від забруднення води та довгострокової деградації ґрунтів. Соціальні витрати NNI склали 42 євро на гектар, порівняно з 60 євро у традиційному сільському господарстві. Проміжні витрати NDVIH та NDVIL становили 58 та 55 євро відповідно, що відображає незбалансований розподіл азоту.
Якщо заглибитися в екологічні показники, то ефективність використання азотних добрив (NfUE) - відсоток внесеного азоту, перетвореного на врожайне зерно - досягла 65% при використанні NNI, що є значним покращенням порівняно з ефективністю 52% при використанні традиційних методів. Цей стрибок призвів до зменшення вимивання нітратів на 18%, що захистило місцеві водоносні горизонти від забруднення.
Протягом чотирирічного дослідження поля під NNI втрачали лише 12 кг азоту на гектар щорічно внаслідок вимивання, порівняно з 22 кг на звичайних ділянках. Для порівняння, Директива ЄС щодо нітратів передбачає, що концентрація нітратів у ґрунтових водах не повинна перевищувати 50 мг/л - цей поріг було перевищено на 301 тис. га звичайних ділянок, але лише на 81 тис. га ділянок, що обробляються за технологією NNI.
Масштабування НСІ: виклики та політичні втручання
Дослідження також висвітлило приховані кліматичні переваги. Використовуючи методологію оцінки життєвого циклу (ОЖЦ), команда підрахувала, що вуглецевий слід NNI становить 0,8 кг CO2-еквіваленту на кілограм зерна, що на 33% менше, ніж у традиційному сільському господарстві, де цей показник становить 1,2 кг.
Це скорочення відбулося насамперед завдяки зменшенню викидів від виробництва добрив (вдалося уникнути 1,2 кг CO2-екв/кг N) та зменшенню викидів закису азоту з ґрунтів. Якщо масштабувати його на 2,4 мільйона гектарів сільськогосподарських угідь в ЄС, де вирощують тверду пшеницю, то широке впровадження NNI може скоротити щорічні викиди на 960 000 метричних тонн CO2-еквіваленту, що еквівалентно усуненню з доріг 208 000 автомобілів.
Однак дослідження застерігає від того, щоб розглядати точне землеробство як панацею. Успіх методу NNI залежить від безперервного доступу до високоякісних супутникових даних і передової техніки, здатної працювати зі змінною швидкістю внесення добрив і заповнювати прогалини в інфраструктурі в регіонах, що розвиваються.
Наприклад, супутники Sentinel-2 повторно відвідують кожну точку кожні п'ять днів, але хмарність під час критичних стадій росту може порушити збір даних. Крім того, алгоритми вимагають калібрування до місцевих умов; у цьому дослідженні порогові значення NNI були точно налаштовані для середземноморського клімату, що дозволило досягти точності прогнозування азотного статусу на рівні 92%.
Застосування моделі в посушливих регіонах або на важких глинистих ґрунтах без повторного калібрування може знизити точність до 70-75%.
Людський фактор виявляється не менш важливим. Фермери, які переходять на NNI, потребують навчання для інтерпретації спектральних індексів - наприклад, розуміння того, що значення NDVI вище 0,7 часто сигналізують про надмірну рослинність і вимагають зменшення внесення азоту.
За оцінками дослідницької групи, підвищення рівня обізнаності фермерів щодо прецизійних інструментів на 101ТП3Т може підвищити NfUE на 4-6 відсоткових пунктів. Політичні втручання, ймовірно, виявляться дуже важливими: субсидування ґрунтових датчиків, фінансування семінарів під керівництвом агрономів і заохочення кооперативів до спільного використання техніки може демократизувати доступ до них.
Забігаючи наперед, зазначимо, що наслідки дослідження виходять далеко за межі твердої пшениці. Система NNI, адаптована до таких культур, як кукурудза або рис, може вирішити проблему 60 мільйонів тонн надлишкового азоту, що вносяться у світі щороку, що є ключовим завданням Цілей сталого розвитку ООН.
Попередні випробування на ячмінних полях Іспанії показали подібну стабільність врожайності при внесенні на 18% менше азоту, що свідчить про можливість застосування між культурами. Для дослідників інтеграція машинного навчання з супутниковими даними є багатообіцяючою перспективою: ранні моделі тепер можуть прогнозувати потребу в азоті з точністю 95% за 30 днів до внесення, що дозволяє здійснювати проактивне, а не реактивне управління.
Висновок
Насамкінець, це дослідження виходить за межі академічних кіл, пропонуючи план узгодження продуктивності сільського господарства зі здоров'ям планети.
Зменшуючи використання азоту на 201 т/га, збільшуючи прибутки фермерів на 121 т/га та скорочуючи викиди парникових газів на третину, метод NNI демонструє, що сталість та прибутковість не є взаємовиключними. Оскільки зміна клімату посилює посухи та дестабілізує вегетаційні періоди, такі точні стратегії виявляться незамінними.
Тепер завдання полягає в тому, щоб перетворити це наукове обґрунтування на практичні дії - через реформування політики, технологічну демократизацію та зміну парадигми в тому, як ми розглядаємо добрива: не як тупий інструмент, а як високоточний інструмент у пошуках продовольчої безпеки.
Посилання: Fabbri, C., Delgado, A., Guerrini, L., & Napoli, M. (2025). Стратегії точного внесення азотних добрив для твердої пшениці: оцінка сталості підходів на основі карт NNI та NDVI. Європейський журнал агрономії, 164, 127502.
































