Критическая и сложная N-игра в сельском хозяйстве

Критики современного сельского хозяйства часто ссылаются на его зависимость от «синтетических азотных удобрений». Они указывают на углеродный след природного газа, используемого для его производства, и на тот факт, что азот с ферм может в конечном итоге стать загрязнителем воды или воздуха. Также существует проблема, что при определенных обстоятельствах часть азота, вносимого на ферме, может выделяться из почвы в виде очень мощного парникового газа. оксид азота. В то время как эти проблемы реальны, решение состоит не в том, чтобы каким-то образом избежать использования этого удобрения или произвольно установить ограничения на количество, которое фермеры могут использовать для выращивания своих культур. К сожалению, существует несколько таких ошибочных подходов. Предостерегающая история исходит от страны Шри-Ланка, которая недавно запретила импорт удобрений в попытке стать первым регионом 100% органического производства. Этот выбор подорвал их продовольственную базу. и их важная индустрия экспорта чая. Канада недавно обязала сокращение азотных удобрений для своих фермеров, не привязывая это к рациональному показателю, такому как килограмм удобрений на тонну продукции. Индия продвигает «естественное земледелие с нулевым бюджетом что может подорвать продовольственную независимость, которой страна пользовалась со времен «зеленой революции». Европейский Союз продвигает органическое сельское хозяйство, которое исключает «синтетические удобрения» как часть своей противоречивой политики. Стратегия от фермы до вилки. На самом деле, органические удобрения часто рекламируются как решение проблем с удобрениями без признания того факта, что органическое растениеводство на самом деле сильно зависит от «синтетического» азота, который оказался в навозе животных, выращиваемых традиционным способом. Как говорит один эксперт по этому вопросу, «следуй за азотом». И просто для ясности, производимые человеком азотные удобрения начинаются с аммиака, который является естественной формой этого элемента, а не чем-то искусственным, как может означать термин «синтетический».

Получение оплодотворения «в самый раз»

В классической сказке Златовласка хочет, чтобы ей каша была «не слишком горячей, не слишком холодной, а в самый раз». Задача фермеров состоит в том, чтобы вносить азот таким образом, чтобы он не представлял собой ни слишком много, ни слишком мало, а был «правильным» способом для оптимального роста урожая. Удобрения являются одной из наиболее значительных операционных затрат при выращивании сельскохозяйственных культур, поэтому у производителей нет стимула вносить их чрезмерно. Но, наоборот, если культуре не хватает питательных веществ на ключевых стадиях роста, доход фермера, основанный на урожайности, будет поставлен под угрозу. Таким образом, давняя цель оптимального внесения удобрений была выражена как «4-R» —

1. нужное количество

2. в правильной форме

3. в нужном месте

4. в нужное время

Это нетривиальная задача из-за логистических ограничений и капризов погоды, но основные экономические соображения требуют осторожного использования.

Почему сельское хозяйство нуждается в улучшении своей N-игры

В настоящее время есть два «изменяющих правила игры» фактора, заставляющих уделять больше внимания вопросам азотных удобрений: война в Украине и изменение климата. Война привела к резкий рост цен на удобрения и подчеркнул желательность перехода на внутренние источники. Рациональное беспокойство по поводу изменения климата заставляет обратить внимание на парниковый эффект существующих методов производства азотных удобрений, а также на выбросы закиси азота с полей.

Перед лицом этих повышенных опасений сельскохозяйственный сектор призван «улучшить свою N-игру». Задача состоит в том, чтобы удовлетворить растущий спрос на продукты питания, корма, волокна, топливо и другие биоматериалы, не вызывая изменений в землепользовании и не усугубляя проблемы, связанные с азотом. К счастью, тенденция последних трех десятилетий обнадеживает. Рассмотрим в качестве примера «штаты I», на долю которых приходится около трети производства кукурузы на зерно в США. Как показано на графиках ниже, урожайность в 2021 году была на 35-51% выше, чем в начале 1990-х годов, но использование азота увеличилось только на 8-18%. Таким образом, «эффективность использования азота» в этих штатах (выраженная в бушелях, произведенных на фунт применяемого азота) увеличилась на 29–35%.

Это означает, что использование азота для выращивания кукурузы в этих трех штатах в 2021 году было на 1.73 миллиарда фунтов ниже, чем если бы оно использовалось такими же темпами, как в начале 1990-х годов. Эта выгода показана ниже для каждого года, в котором были данные опроса.

Фермеры используют множество различных методов и технологий для оптимизации использования азота и других удобрений. Ниже приводится список как существующих, так и новых тактик n-игр. Некоторые из них хорошо зарекомендовали себя, но их можно было бы использовать более широко. Они выделены символом (>>>). Другие, относительно новые, но которые могут внести значительный вклад, отмечены символом (+++). Те, которые находятся в стадии исследования, отмечены символом (***).

Восстановление питательных веществ

Когда животные (включая людей) переваривают пищу, они не могут усвоить все содержащиеся в ней питательные вещества. Вот почему навоз всегда использовался в качестве удобрения, как и сегодня. Навоз в его различных формах (в том числе после компостирования) не является идеальным удобрением, поскольку требует внесения тонн на акр и не поддается некоторым желательным методам ведения сельского хозяйства, таким как нулевая обработка почвы или точное внесение (описано ниже). Несмотря на это, новая технология называемый процессором Varcor (+++) доступен сегодня, чтобы сделать гораздо лучшую работу по извлечению питательных веществ удобрения из навоза в очень пригодных для использования формах. Существует также заинтересованность в создании механизмов для перерабатывать человеческую мочу (***) как удобрение с высоким содержанием азота и фосфора. Однако, поскольку ни животные, ни люди на самом деле не производят азотные удобрения, их потенциальные источники ограничены.

Точное внесение удобрений

Почвы сельскохозяйственных угодий неоднородны в том смысле, что они имеют разный потенциал урожайности в разных зонах. Сегодня сельскохозяйственная техника часто оснащается GPS или другими технологиями географической привязки, чтобы выполнять «автоматическое управление» и генерировать информацию, например карту урожайности. Чтобы не тратить деньги на лишнее удобрение, фермер может использовать «внесение удобрений с переменной нормой(>>>) проставляя более или менее в каждой отдельной зоне исходя из ее потенциала роста. Нормы внесения также могут определяться различными технологиями визуализации, которые используют «гиперспектральный анализ» (>>>), чтобы визуализировать состояние питательных веществ растущей культуры и регулировать норму удобрений на основе этой еще более точной зоны. Для орошаемых культур можно очень тесно связать снабжение азотом и другими питательными веществами с потребностями растений в любой момент вегетационного периода. кормление с ложки (>>>)- подача по капельным линиям или другим системам орошения на уровнях, точно соответствующих тому, что растения будут быстро поглощать своими корнями в каждый момент времени в течение всего сезона. В неорошаемом земледелии такой уровень контроля невозможен, но удобрение можно вносить несколькими «раздельными внесениями» (>>>), чтобы более точно соответствовать потребностям растений. Другим вариантом является «удобрение с контролируемым высвобождением» (>>>), в котором полимерное покрытие замедляет скорость, с которой питательные вещества попадают в почву.

Предотвращение потери азота

После того, как азотное удобрение было внесено в поле, может пройти некоторое время, прежде чем оно будет поглощено растущей культурой, и тем временем оно может быть преобразовано в формы, которые позволяют ему перемещаться в воздух или воду, так что оно не больше доступны для урожая и могут вызвать проблемы в окружающей среде. Существует несколько технологий, которые действуют как «Ингибиторы потери азота». Например мочевина это очень практичная форма азота для использования в качестве удобрения, _но в почвах присутствуют ферменты, называемые уреазами, которые превращают его в аммиак (NH₄), который является летучим, поэтому он уносится в атмосферу только для того, чтобы позже быть вымытым и вызвать форму загрязнения воды, известную как «эвтрофикации». Есть продукты под названием «ингибиторы уреазы» (>>>) которые предотвращают эту потенциально серьезную форму потери азота. Когда азот удобрений находится в положительно заряженной аммонийной форме (NH₄+) находится в доступном, но немобильном виде. В почвах есть микробы, которые превращают аммоний в нитраты (NO₃-) который очень подвижен в воде, так что может выщелачиваться в грунтовые воды или смываться в ручьи. Если почва заболочена или уплотнена так, что в ней нет воздуха, нитраты также могут быть потеряны для урожая, если они «денитрифицированы», что означает, что они превращаются в азот.₂ газ, который возвращается в воздух в виде безвредного газа. К сожалению, в этом процессе часть азота превращается в оксид азота (N₂О), который является чрезвычайно мощным парниковым газом. Существуют продукты, называемые «ингибиторами нитрификации» (>>>), которые уменьшают эти потери азота и проблемы загрязнения. Технология автоматического вождения на основе GPS также позволяет агроному использовать «контролируемое движение колес» (>>>), так что колеса тяжелой техники уплотняют лишь небольшой процент поля. Если на гусеницы, потенциально уплотняющие почву, не вносятся азотные удобрения, риск выбросов закиси азота значительно снижается.

Использование «зеленого» азота

В начале 20^thвека немецкие ученые Фриц Габер и Карл Бош изобрели процесс, с помощью которого инертный газообразный азот, составляющий 78% атмосферы, можно было преобразовать в аммиак и из него преобразовать в другие формы, способные удобрять растения. До этого времени мир получал азот из природных источников, в том числе из месторождений птичьего помета. Для этой реакции также необходим водород и природный газ ( CH₄) всегда использовался в процессе Габера-Боша, потому что это был самый дешевый источник. Водород также может быть получен из воды с использованием энергии ветра или солнца, и в настоящее время существуют технологии, позволяющие сделать азот с гораздо меньшим углеродным следом (+++), и они становятся более конкурентоспособными по цене. Еще одно преимущество использования возобновляемых источников энергии для производства азотных удобрений заключается в том, что это может помочь снизить зависимость от импорта.

Фиксаторы азота

Термин «фиксатор» имеет некоторые негативные коннотации, но в природе существуют определенные полезные бактерии, которые могут «фиксировать» азот, что означает, что они обладают уникальной способностью брать часть почти инертного газообразного азота, который составляет 2% атмосферы, и преобразовывать его. в аммиак (NH₄), который является отправной точкой для всех биологически важных форм этого элемента. Существует семейство растений, известных как бобовые, которые имеют особые отношения с одним из этих видов бактерий, называемых Rhizobium. Растение снабжает микроб сахарами, которые затем обеспечивают значительное количество энергии, необходимой для этого процесса. Растения также «размещают» эти бактерии в специальных структурах вдоль корней, называемых «узелками», которые создают среду с очень низким содержанием кислорода, что также важно для процесса фиксации. Некоторые основные и второстепенные бобовые культуры обладают этой способностью и практически не требуют азотных удобрений (соевые бобы, сухие бобы, горох, арахис, чечевица, нут, люцерна…). Когда бобовые являются частью севооборота (>>>), они оставляют достаточное количество азота для следующей небобовой культуры (например, кукурузы, пшеницы, рапса…). Существуют также бобовые культуры, которые можно использовать в качестве покровных культур (>>>) между сезонами для увеличения поступления азота в почву.

Уже давно существует интерес к поиску способов, позволяющих небобовым культурам также получать выгоду от азотфиксирующих бактерий. Существует довольно много различных почвенных бактерий, способных фиксировать азот, и некоторые из них растут на корнях или даже листьях растений. Однако при наличии в почве азотных удобрений эти бактерии не включают собственные, энергоемкие способности фиксации, поскольку могут просто использовать то, что имеется. Одна из стратегий заключалась в разработке новых бактериальных штаммов, которые сохранят свои фиксирующие способности либо путем выявления мутантов, либо, в последнее время, с использованием технологии редактирования генов. Два таких продукта (+++) были коммерциализированы – один разработан Азотические технологии под названием Envita™ и один из Сводная биография под названием PROVEN® 40. Эти бактерии могут поставлять около четверти азота, необходимого для такой культуры, как кукуруза. В масштабе это может означать значительное сокращение энергии, необходимой для производства удобрений.

Есть также многообещающие исследования, направленные на то, чтобы модифицировать зерновые культуры (***), чтобы они способствовали выработке азота видами бактерий, которые растут на их корнях. Ученые из Оксфорда, лаборатории Сейнсбери, Государственного университета Северной Дакоты и Массачусетского технологического института разработали линии ячменя, модифицированные для производства сигнального соединения под названием ризопин, которое индуцирует ассоциированную бактерию (***), называемую Азоризобиум каулиноданс для фиксации азота. Затем они соединяют это с модифицированной версией этой бактерии, которая будет фиксировать азот только в том случае, если она связана с модифицированными линиями культур, которые будут делать это только тогда, когда они связаны с желаемой линией культур. Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе работают с сигнальными соединениями риса, которые влияют на азотфиксирующие бактерии в биопленках на их корнях (***).

Азотные удобрения всегда будут иметь решающее значение для производства сельскохозяйственных культур, но со значительным углеродным следом. Сельскохозяйственный сектор находится на пути к решению этих проблем за счет повышения эффективности использования, альтернативных средств производства и потенциальных прорывов в области расширенной биологической фиксации. Эти пути намного лучше для человечества, чем ограничения, которые поставят под угрозу производительность и заставят изменить землепользование, чтобы компенсировать дефицит.