トウモロコシでの利用可能な水が限られている場合、窒素の利用可能性が高いと窒素の取り込みと収量が減少します。

Apr 13, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 14269 (2023) この記事を引用

メトリクスの詳細

水と窒素（N）は世界的に植物の生産性を最も制限する要因ですが、水の利用可能性が農業システムにおける窒素の動態にどのような影響を与えるかについての重要な理解が不足しています。 植物の成長、窒素の需要、および植物の吸収に対する水と窒素の相互作用の影響により、水が制限されている場合、植物の窒素要件は特に不確実です。 私たちは、米国コロラド州北東部の半乾燥システム内で、植物の成長と窒素の移動に対する窒素の施用と水の利用可能性の影響を調査しました。これには、地上および地下の成長、水の生産性、窒素の生産性、窒素の取り込み、窒素の回収、温室効果ガスの排出が含まれます。 土壌窒素の利用可能性が中程度に高いと、物理的毒性の兆候がないにもかかわらず、限られた水の利用可能性と完全な水の利用可能性の両方で穀物の収量と苗条の成長が低下し、有害な窒素損失の追加のリスクが伴いました。 窒素の利用可能性が低い場合、地上組織中の植物の窒素濃度は、水の利用可能性が完全な場合と限られた場合の両方で、低窒素処理で適用されたものよりも大きな窒素の回収を示しました。 この回復の強化は、植物の土壌採餌と、これらの条件下での資源の利用可能性を管理するプロセスの両方をより深く理解する必要性を強調しています。 最後に、水の利用可能性が限られているため、すべての窒素処理全体で窒素の取り込みが減少し、完全な水の利用可能性がある場合に比べて、シーズンの終わりに土壌プロファイルの深部に土壌硝酸塩（NO3-）が30％多く残​​されました。 私たちの結果は、植物の窒素のニーズが水の使用と直線的に関係していないことを示し、水と窒素の相互作用、植物のこれらの資源の採餌、および植物が窒素を利用できるようにするプロセスのダイナミクスを統合的に理解する必要性を強調しています。

農業用水の利用可能量の減少と食料需要の増加は、農業用水の利用効率を改善することが重要な必要性を示唆しています1。 肥料コストが高く、水質悪化や温室効果ガス排出など複数の環境への悪影響があるため、同時に窒素投入量を最適化する必要があります2。 トウモロコシ (Zea Mays) は、水と窒素の供給によってしばしば制限される世界的に重要な作物です。 コロラド州東部では、トウモロコシが主要な灌漑作物です。 しかし、地下水の枯渇、変動する積雪、都市および工業用水の需要の増加により、この地域全体で水の供給が逼迫しています3、4、5、6。 水と窒素の管理という課題は同時に発生することが多いため、これらの要因を同時に考慮した研究は、資源利用効率の向上と環境への影響の削減に大きな期待をもたらします。

植物の生殖は、受粉や結実時などの特定の成長段階での水制限の影響をより受けやすいため、水が利用できるタイミングは植物の水の生産性（作物が使用する水の単位あたりの植物の収量）に影響します7、8、9、10。 逆に、トウモロコシの穀粒収量は、栄養段階、特に植物が確立して初期成長が安定した後の栄養後期に水分制限がある場合には、それほど影響を受けないことがわかっています7,8。ただし、水分制限とそのタイミングは、シュートと根系の発達にも影響します。 、それがプラント N の要件に影響を与える可能性があります。

水が制限されている場合、植物の成長、植物の N 需要、および植物の吸収に対する水と N の相互作用の影響のため、植物 N の要件は不確実です。 例えば、限られた水の利用可能性の下で生長する植物は、通常、特に根系に比例して栄養バイオマスが少なくなります。これは、新芽での細胞増殖が根での細胞増殖よりも水分制限の影響を受けやすいためです11。 この結果生じる根とシュートの配分の変化は、逆に植物の窒素需要を減らす一方で、土壌資源の採餌を増やす可能性があります。 同時に、根が窒素を吸収する能力は水の利用可能性に依存しているため12、土壌水分が低いと窒素の吸収が妨げられる可能性があります。 水制限トウモロコシの窒素管理を最適化し、水制限下で最大の成長と収量を達成できる窒素削減量を決定するために、多大な努力が払われてきました。 しかし、一部の研究では、水分制限中に追加の窒素を適用すると、トウモロコシの穀粒収量と水の利用効率が増加する可能性があることが示唆されているため、水制限下でのトウモロコシの窒素施用量の最適な削減を決定することは簡単ではありません14、18、19、20。