N-Game Kritikal Dan Kompleks Pertanian

Pengkritik pertanian moden sering menyebut pergantungannya pada "baja nitrogen sintetik." Mereka menunjukkan jejak karbon gas asli yang digunakan untuk membuatnya dan fakta bahawa nitrogen dari ladang boleh berakhir sebagai pencemar air atau udara. Juga terdapat isu bahawa dalam keadaan tertentu sebahagian kecil daripada nitrogen gunaan ladang boleh dipancarkan dari tanah sebagai gas rumah hijau yang sangat kuat - nitrous oksida. Walaupun isu-isu ini adalah benar, penyelesaiannya bukanlah untuk mengelak daripada menggunakan baja ini atau dengan sewenang-wenangnya menetapkan had ke atas kuantiti yang boleh digunakan oleh petani untuk menanam tanaman mereka. Malangnya terdapat beberapa pendekatan sesat yang sedang dijalankan. Kisah amaran datang dari negara Sri Lanka yang baru-baru ini mengharamkan import baja dalam usahanya untuk menjadi wilayah pengeluaran organik 100% pertama. Pilihan itu melumpuhkan bekalan makanan mereka dan industri eksport teh penting mereka. Kanada baru-baru ini diberi mandat pengurangan baja nitrogen untuk petaninya tanpa mengikatnya dengan ukuran yang rasional seperti kg baja setiap tan keluaran. India mempromosikan “pertanian semula jadi berbajet sifar yang boleh menjejaskan kemerdekaan makanan yang telah dinikmati oleh negara sejak "revolusi hijau." Kesatuan Eropah mempromosikan pertanian organik yang tidak termasuk "baja sintetik" sebagai sebahagian daripada kontroversinya. Strategi Farm to Fork. Malah, organik sering dipromosikan sebagai penyelesaian kepada isu baja tanpa mengiktiraf bahawa pengeluaran tanaman organik sebenarnya agak bergantung kepada nitrogen "sintetik" yang telah berakhir dalam baja haiwan yang diternak secara konvensional. Seperti yang dikatakan oleh seorang pakar mengenai subjek itu, "ikut nitrogen.” Dan untuk menjadi jelas, baja nitrogen yang dihasilkan oleh manusia bermula sebagai ammonia yang merupakan bentuk semula jadi unsur itu dan bukan sesuatu yang tiruan seperti yang mungkin dibayangkan oleh istilah "sintetik".

Mendapatkan Persenyawaan "Tepat"

Dalam kisah dongeng klasik Goldilocks mahukan buburnya "tidak terlalu panas, tidak terlalu sejuk, tetapi tepat." Cabaran untuk petani adalah untuk menggunakan nitrogen dalam cara yang tidak mewakili sama ada terlalu banyak atau terlalu sedikit, tetapi apa yang "betul" untuk pertumbuhan tanaman yang optimum. Baja adalah salah satu daripada kos operasi yang lebih ketara untuk menanam tanaman, jadi penanam tidak mempunyai insentif untuk memohon secara berlebihan. Tetapi sebaliknya jika tanaman kekurangan nutrien semasa peringkat pertumbuhan utama, pendapatan berasaskan hasil petani akan terjejas. Oleh itu, matlamat lama untuk persenyawaan optimum telah dinyatakan sebagai "The 4-Rs" -

1. jumlah yang betul

2. dalam bentuk yang betul

3. di tempat yang betul

4. pada masa yang sesuai

Ini adalah cabaran yang tidak remeh kerana batasan logistik dan cuaca yang tidak menentu, tetapi ekonomi asas mendorong penggunaan yang berhati-hati.

Mengapa Pertanian Perlu "meningkatkan N-game"

Kini terdapat dua faktor "perubahan permainan" yang mendorong lebih banyak perhatian kepada isu baja nitrogen - perang di Ukraine dan Perubahan Iklim. Peperangan telah membawa kepada a kenaikan mendadak harga baja dan menyerlahkan keinginan untuk beralih kepada penyumberan domestik. Kebimbangan rasional tentang Perubahan Iklim memberi tumpuan kepada jejak gas rumah hijau kaedah pengeluaran baja nitrogen semasa serta pelepasan nitrus oksida dari ladang.

Dalam menghadapi kebimbangan yang semakin meningkat ini, sektor pertanian diminta untuk "meningkatkan N-gamenya." Cabarannya adalah untuk memenuhi permintaan yang semakin meningkat untuk makanan, makanan, serat, bahan api dan biomaterial lain tanpa mendorong perubahan guna tanah dan tanpa memburukkan lagi isu berkaitan nitrogen. Nasib baik, trend sepanjang tiga dekad yang lalu adalah menggalakkan. Pertimbangkan contoh "I states" yang menyumbang kira-kira satu pertiga daripada pengeluaran jagung bijirin AS. Seperti yang ditunjukkan dalam graf di bawah, hasil pada 2021 adalah 35-51% lebih tinggi daripada pada awal 1990-an tetapi penggunaan nitrogen hanya meningkat antara 8 dan 18%. Oleh itu "kecekapan penggunaan nitrogen" di negeri tersebut (dinyatakan sebagai gantang yang dihasilkan setiap paun nitrogen yang digunakan) telah meningkat 29-35%.

Ini bermakna bahawa penggunaan nitrogen untuk jagung di ketiga-tiga negeri ini pada 2021 adalah 1.73 bilion paun lebih rendah berbanding jika ia telah digunakan pada kadar yang digunakan pada awal 1990-an. Manfaat tersebut ditunjukkan di bawah untuk setiap tahun yang terdapat data tinjauan.

Petani menggunakan banyak amalan dan teknologi yang berbeza untuk mengoptimumkan penggunaan nitrogen dan baja lain mereka. Berikut ialah senarai taktik n-permainan sedia ada dan baru muncul. Ada yang sudah mapan tetapi boleh diambil bekerja secara lebih meluas. Mereka diserlahkan dengan simbol (>>>). Lain-lain yang agak baru, tetapi yang boleh memberi sumbangan besar diserlahkan dengan simbol (+++). Mereka yang berada dalam fasa penyelidikan ditunjukkan oleh simbol (***).

Pemulihan Nutrien

Apabila haiwan (termasuk manusia) mencerna makanan mereka, mereka gagal menyerap semua nutrien yang terkandung di dalamnya. Itulah sebabnya baja sentiasa digunakan sebagai baja seperti yang berterusan sehingga kini. Baja dalam pelbagai bentuknya (termasuk selepas pengkomposan) bukanlah baja yang ideal kerana ia memerlukan penggunaan tan setiap ekar dan ia tidak sesuai dengan beberapa amalan pertanian yang diingini seperti pertanian tanpa kerja atau penggunaan ketepatan (diterangkan di bawah). Walaupun begitu, satu teknologi baru dipanggil Pemproses Varcor (+++) tersedia hari ini untuk melakukan kerja yang lebih baik untuk memulihkan nutrien baja daripada baja dalam bentuk yang sangat boleh digunakan. Terdapat juga minat untuk menyediakan mekanisme untuk mengitar semula air kencing manusia (***) sebagai baja yang tinggi dalam kedua-dua nitrogen dan fosforus. Walau bagaimanapun, oleh kerana haiwan atau manusia sebenarnya tidak membuat baja nitrogen, ini adalah sumber berpotensi terhad.

Pembajaan Ketepatan

Tanah ladang ladang tidak seragam kerana ia mempunyai potensi hasil yang berbeza di zon yang berbeza. Hari ini adalah perkara biasa bagi jentera ladang untuk dilengkapi dengan GPS atau teknologi rujukan geo lain untuk melakukan "kemudian automatik" dan untuk menjana maklumat seperti peta hasil. Untuk mengelakkan pembaziran wang untuk lebihan baja petani boleh menggunakan “pembajaan kadar berubah-ubah” (>>>) meletakkan lebih kurang dalam setiap zon individu berdasarkan potensi pertumbuhannya. Kadar aplikasi juga boleh dipandu oleh pelbagai teknologi pengimejan yang digunakan "analisis hiperspektral" (>>>) untuk menggambarkan status nutrien tanaman yang semakin meningkat dan untuk melaraskan kadar baja berdasarkan zon yang lebih tepat. Bagi tanaman yang diairi adalah mungkin untuk mengaitkan bekalan nitrogen dan nutrien lain dengan sangat rapat dengan apa yang diperlukan oleh tumbuhan pada mana-mana titik dalam musim penanaman dengan "penyusuan sudu" (>>>)- menyampaikannya melalui saluran titisan atau sistem pengairan lain pada tahap yang hampir sama dengan apa yang akan diserap oleh tumbuhan dengan cepat dengan akarnya pada setiap titik masa sepanjang musim. Dalam pertanian tanpa pengairan tahap kawalan itu tidak mungkin, tetapi baja boleh digunakan dalam beberapa "aplikasi berpecah" (>>>) untuk lebih sepadan dengan keperluan tumbuhan. Pilihan lain ialah "rumusan pelepasan terkawal" (>>>) baja di mana salutan polimer memperlahankan kadar nutrien bergerak keluar ke dalam tanah.

Mencegah Kehilangan Nitrogen

Selepas baja nitrogen telah digunakan di ladang, ia boleh beberapa lama sebelum ia diambil oleh tanaman yang semakin meningkat dan dalam masa yang sama, ia boleh ditukar kepada bentuk yang membolehkan ia bergerak ke udara atau air supaya ia tidak lebih lama tersedia untuk tanaman dan boleh menyebabkan masalah di alam sekitar. Terdapat beberapa teknologi yang bertindak sebagai “Perencat Kehilangan Nitrogen.” Contohnya urea adalah bentuk nitrogen yang sangat praktikal untuk digunakan sebagai baja, _tetapi terdapat enzim dalam tanah yang dipanggil ureases yang menukarkannya kepada ammonia (NH₄) yang meruap sehingga bergerak jauh di atmosfera hanya untuk dihanyutkan kemudian dan menyebabkan satu bentuk pencemaran air yang dikenali sebagai “Eutrophication.” Terdapat produk yang dipanggil "perencat urease" (>>>) yang menghalang bentuk kehilangan nitrogen yang berpotensi besar itu. Apabila nitrogen baja berada dalam bentuk ammonium bercas positif (NH₄+) ia dalam bentuk yang tersedia tetapi bukan mudah alih. Terdapat mikrob dalam tanah yang menukarkan ammonium kepada nitrat (NO₃-) yang sangat mudah alih di dalam air supaya ia boleh larut ke dalam air tanah atau dibasuh ke dalam sungai. Jika tanah ditakungi air atau dipadatkan supaya ia tidak mempunyai udara yang tersedia, nitrat juga boleh hilang kepada tanaman jika ia "denitrified" bermakna ia ditukar kepada N₂ gas yang kembali ke udara sebagai gas yang tidak berbahaya. Malangnya, dalam proses itu beberapa nitrogen diubah menjadi nitrous oksida (N₂O) yang merupakan gas rumah hijau yang sangat kuat. Terdapat produk yang dipanggil "perencat nitrifikasi" (>>>) yang mengurangkan kehilangan nitrogen dan isu pencemaran ini. Teknologi autosteer berasaskan GPS juga membolehkan penanam menggunakan "pemerdagangan roda terkawal" (>>>) supaya hanya peratusan kecil ladang yang pernah dipadatkan oleh roda peralatan berat. Jika tiada baja nitrogen digunakan pada trek roda pemadatan tanah yang berpotensi itu, risiko pelepasan nitrus oksida sangat berkurangan.

Menggunakan Nitrogen "Hijau".

Pada awal 20^thabad, saintis Jerman Fritz Haber dan Karl Bosch mencipta proses di mana gas nitrogen lengai yang membentuk 78% daripada atmosfera boleh ditukar kepada ammonia dan daripada ditukar kepada bentuk lain yang boleh menyuburkan tumbuhan. Sehingga masa itu dunia telah diambil daripada nitrogen daripada sumber semula jadi termasuk perlombongan deposit guano burung. Hidrogen juga diperlukan untuk tindak balas itu dan gas asli (CH₄) sentiasa digunakan dalam proses Haber-Bosch kerana ia merupakan sumber termurah. Hidrogen juga boleh dihasilkan daripada air menggunakan tenaga elektrik yang dijana angin atau suria dan kini terdapat teknologi yang tersedia untuk menghasilkan nitrogen jejak karbon yang jauh lebih rendah (+++) dan mereka semakin kompetitif kos. Satu lagi kelebihan menggunakan tenaga boleh diperbaharui untuk menjana baja nitrogen ialah ia dapat membantu mengurangkan pergantungan import.

Pengikat Nitrogen

Istilah "pembetul" mempunyai beberapa konotasi negatif, tetapi secara semula jadi terdapat bakteria berfaedah tertentu yang boleh "memperbaiki" nitrogen bermakna mereka mempunyai keupayaan unik untuk mengambil sebahagian daripada gas N2 hampir lengai yang membentuk 78% daripada atmosfera dan menukarnya menjadi ammonia (NH₄) yang merupakan titik permulaan bagi semua bentuk biologi penting bagi unsur tersebut. Terdapat satu keluarga tumbuhan yang dikenali sebagai kekacang yang mempunyai hubungan istimewa dengan salah satu spesies bakteria ini dipanggil Rhizobium. Kilang itu membekalkan mikrob dengan gula yang kemudiannya menyediakan sejumlah besar tenaga yang diperlukan untuk proses itu. Tumbuhan juga "menempatkan" bakteria ini dalam struktur khusus di sepanjang akarnya yang dipanggil "nodul" yang mencipta persekitaran oksigen yang sangat rendah yang juga penting untuk proses penetapan. Beberapa tanaman kekacang utama dan kecil mempunyai keupayaan ini dan memerlukan sedikit atau tiada baja nitrogen (kacang soya, kacang kering yang boleh dimakan, kacang, kacang tanah, lentil, kacang ayam, alfalfa…). Apabila kekacang adalah sebahagian daripada penggiliran tanaman (>>>) ia meninggalkan jumlah nitrogen yang cukup untuk tanaman bukan kekacang seterusnya (cth jagung, gandum, canola...). Terdapat juga kekacang yang boleh digunakan sebagai tanaman penutup (>>>) antara musim untuk meningkatkan bekalan nitrogen dalam tanah.

Terdapat minat jangka panjang dalam mencari cara untuk membolehkan tanaman bukan kekacang turut mendapat manfaat daripada bakteria penetapan nitrogen. Terdapat beberapa bakteria kediaman tanah yang berbeza yang mampu membetulkan nitrogen dan ada yang tumbuh pada akar atau bahkan daun tumbuhan. Walau bagaimanapun, apabila baja nitrogen terdapat di dalam tanah bakteria ini tidak akan hidup sendiri, keupayaan penetapan intensif tenaga kerana mereka hanya boleh menggunakan apa yang ada. Satu strategi adalah untuk membangunkan strain bakteria baru yang akan mengekalkan keupayaan penetapannya sama ada dengan mengenal pasti mutan atau lebih baru dengan menggunakan teknologi penyuntingan gen. Dua produk sedemikian (+++) telah dikomersialkan - satu dibangunkan oleh Teknologi Azotic dipanggil Envita™ dan satu daripada Bio Pivot dipanggil PROVEN® 40. Bakteria ini boleh membekalkan sekitar satu perempat daripada nitrogen yang diperlukan untuk tanaman seperti jagung. Pada skala, itu boleh mewakili pengurangan tenaga yang diperlukan untuk membuat baja.

Terdapat juga penyelidikan yang menjanjikan melihat cara untuk mengubah suai tanaman bijirin (***) supaya ia memudahkan pengeluaran nitrogen oleh spesies bakteria yang tumbuh pada akarnya. Saintis dari Oxford, Sainsbury Laboratory, North Dakota State University dan MIT telah membangunkan barisan barli yang diubah suai untuk menghasilkan sebatian isyarat yang dipanggil rhizopine yang mendorong bakteria yang berkaitan (***) dipanggil Azorhizobium caulinodans untuk membetulkan nitrogen. Mereka kemudian memasangkannya dengan versi bakteria yang diubah suai yang hanya akan membetulkan nitrogen apabila dikaitkan dengan garis tanaman yang diubah suai yang hanya akan berbuat demikian apabila dikaitkan dengan garis tanaman yang dikehendaki. Penyelidik di University of California Davis sedang bekerja dengan sebatian isyarat daripada beras yang mempengaruhi bakteria penetapan nitrogen dalam biofilm pada akarnya (***).

Baja nitrogen akan sentiasa menjadi input kritikal untuk pengeluaran tanaman tetapi dengan jejak karbon yang ketara. Sektor pertanian berada di landasan untuk menangani isu-isu ini melalui peningkatan dalam kecekapan penggunaan, cara pengeluaran alternatif, dan potensi kejayaan untuk penetapan biologi yang diperluaskan. Laluan ini jauh lebih baik untuk manusia daripada sekatan yang akan menjejaskan produktiviti dan mendorong perubahan guna tanah untuk menampung kekurangan itu.