L’elevata disponibilità di N diminuisce l’assorbimento e la resa di N in caso di disponibilità idrica limitata nel mais

Apr 13, 2024

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14269 (2023) Citare questo articolo

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L’acqua e l’azoto (N) sono i fattori più limitanti per la produttività delle piante a livello globale, ma manca una comprensione critica di come la disponibilità di acqua influenzi le dinamiche dell’N nei sistemi agricoli. I fabbisogni di N delle piante sono particolarmente incerti quando l’acqua è limitata a causa dell’effetto interattivo dell’acqua e dell’N sulla crescita delle piante, sulla domanda di N e sull’assorbimento da parte delle piante. Abbiamo studiato gli impatti dell’applicazione di N e della disponibilità di acqua sulla crescita delle piante e sul movimento dell’N, inclusa la crescita sopra e sotto terra, la produttività dell’acqua, la produttività dell’N, l’assorbimento di N, il recupero di N e le emissioni di gas serra all’interno di un sistema semi-arido nel nord-est del Colorado, negli Stati Uniti. Una disponibilità moderatamente elevata di N nel suolo ha depresso la resa dei cereali e la crescita dei germogli sia in condizioni di disponibilità idrica limitata che totale, nonostante nessuna indicazione di tossicità fisica, e ha comportato un rischio aggiuntivo di perdite deleterie di N. In condizioni di bassa disponibilità di N, le concentrazioni di N delle piante nei tessuti fuori terra hanno mostrato un maggiore recupero di N rispetto a quanto applicato nei trattamenti a basso contenuto di N in condizioni di disponibilità idrica sia completa che limitata. Questo recupero rafforzato sottolinea la necessità di comprendere meglio sia il foraggiamento del suolo delle piante sia i processi che regolano la disponibilità delle risorse in queste condizioni. Infine, la disponibilità limitata di acqua ha ridotto l’assorbimento di N durante tutti i trattamenti e ha lasciato il 30% in più di nitrato (NO3-) nel profilo del suolo alla fine della stagione rispetto alla piena disponibilità di acqua. I nostri risultati mostrano che i fabbisogni di N delle piante non sono linearmente correlati all’uso dell’acqua e sottolineano la necessità di una comprensione integrata delle interazioni tra acqua e N, del foraggiamento delle piante per queste risorse e delle dinamiche dei processi che rendono N disponibile alle piante.

La diminuzione della disponibilità di acqua in agricoltura, combinata con l’aumento della domanda alimentare, suggerisce la necessità fondamentale di migliorare l’efficienza dell’uso dell’acqua in agricoltura1. Allo stesso tempo, è necessario ottimizzare gli apporti di azoto a causa degli elevati costi dei fertilizzanti e dei molteplici impatti ambientali negativi, tra cui il degrado della qualità dell’acqua e le emissioni di gas serra2. Il mais (Zea mays) è una coltura importante a livello globale, spesso limitata dall’approvvigionamento di acqua e azoto. Nel Colorado orientale, il mais è la coltura irrigua dominante. Tuttavia, l’esaurimento delle falde acquifere, la variabilità del manto nevoso e la crescente domanda di acqua nelle aree urbane e industriali stanno mettendo a dura prova le riserve idriche in tutta la regione3,4,5,6. Poiché le sfide legate alla gestione dell’acqua e dell’azoto si verificano spesso contemporaneamente, gli studi che considerano questi fattori contemporaneamente offrono grandi promesse per migliorare l’efficienza nell’uso delle risorse e ridurre gli impatti ambientali.

I tempi della disponibilità idrica influiscono sulla produttività idrica delle piante (resa vegetale per unità di acqua utilizzata dalla coltura) perché la riproduzione delle piante è spesso più sensibile alle limitazioni idriche in fasi specifiche di crescita, come l’impollinazione e la raccolta dei semi7,8,9,10. Al contrario, si è scoperto che le rese dei chicchi di mais sono meno influenzate quando si verificano limitazioni idriche durante le fasi vegetative, specialmente durante la fase vegetativa tardiva dopo l’attecchimento delle piante e la crescita iniziale è sicura7, 8. Tuttavia, le limitazioni idriche e i loro tempi influenzano anche lo sviluppo dei germogli e del sistema radicale , che a sua volta può influenzare i fabbisogni di N della pianta.

I fabbisogni di N delle piante sono incerti quando l’acqua è limitata a causa degli effetti interattivi di acqua e N sulla crescita delle piante, sulla domanda di N delle piante e sull’assorbimento da parte delle piante. Ad esempio, le piante coltivate con disponibilità idrica limitata di solito hanno una biomassa vegetativa più piccola, soprattutto in proporzione al sistema radicale, perché l’espansione cellulare nei germogli è più sensibile alle limitazioni idriche rispetto a quella nelle radici11. Questo conseguente spostamento nell’allocazione delle radici: dei germogli può al contrario ridurre la domanda di N da parte delle piante, aumentando al contempo il foraggiamento per le risorse del suolo. Allo stesso tempo, la capacità delle radici di assorbire N dipende dalla disponibilità di acqua12, quindi una minore umidità del suolo potrebbe potenzialmente ostacolare l’assorbimento di N. Sono stati compiuti sforzi significativi per ottimizzare la gestione dell’N del mais con limitazione idrica13,14,15,16,17 e determinare la riduzione dell’N che può raggiungere la massima crescita e resa in condizioni di limitazione dell’acqua. Tuttavia, determinare la riduzione ottimale dell’applicazione di N per il mais in condizioni di limitazione dell’acqua non è semplice, poiché alcuni studi suggeriscono che l’N aggiuntivo applicato durante la limitazione dell’acqua può aumentare la resa dei chicchi di mais e l’efficienza nell’uso dell’acqua14, 18,19,20.