Kvælstof er det mest essentielle næringsstof til afgrødeproduktion, men også et af de sværeste at regulere. Denne forbindelse er afgørende for den globale landbrugsproduktion. Imidlertid udvaskes overskydende kvælstof fra gødning til miljøet, hvilket fører til skadelige virkninger.
I denne artikel vil vi tale om betydningen af kvælstof i landbruget og hvordan visse afgrøder kan fodres med kvælstof fra luften.
Hvilken betydning har nitrogen for plantevækst?
Nitrogen spiller en afgørende rolle i både planter og mennesker, da det bruges til at syntetisere aminosyrer, der genererer de proteiner, der er ansvarlige for cellekonstruktion og udgør en af de grundlæggende komponenter i DNA. Udover, Nitrogen er afgørende for plantevækst, da det er et hovedelement i klorofyl, forbindelsen, der gør det muligt for planter at udnytte energien fra sollys til at omdanne vand og kuldioxid til sukker.
Kvælstofkredsløbet er baseret på en række processer, hvorved nitrogen passerer fra atmosfæren til jorden, passerer gennem jorden og til sidst vender tilbage til atmosfæren.
Processen begynder med den biologiske fiksering af nitrogen, et fænomen, hvor nitrogenfikserende bakterier i bælgplanternes rodknuder omdanner organisk stof til ammonium, som derefter omdannes til nitrat. Planter kan optage nitrat fra jorden og omsætte det til det nitrogen, der er nødvendigt for deres vækst, mens denitrificerende bakterier letter omdannelsen af overskydende nitrat til uorganisk nitrogen, som efterfølgende frigives til atmosfæren.
For meget nitrat, eller det, der går tabt ved udvaskning (når essentielle næringsstoffer opløses ved regn eller kunstvanding), har potentiale til at infiltrere og forurene grundvandskilder.
Hvilken rolle spiller nitrogengødning?
I årtusinder var menneskeheden stort set ligeglad med nitrogen. Men i begyndelsen af det 20. århundrede, Det blev klart, at intensiv landbrugspraksis udtømte jordens nitratniveauer, hvilket fører til bekymringer vedrørende den stigende globale befolkning og den overhængende trussel om en fødevarekrise.
Efter industrialiseringen af produktionen spillede introduktionen af syntetiske kvælstofgødninger en afgørende rolle for at øge Grøn revolution, hvilket førte til en væsentlig stigning i den globale landbrugsproduktion, der startede i slutningen af 1960'erne. I denne periode opnåede både Mexico og nationerne i Indien og Pakistan selvforsyning med hvedeproduktion, på trods af at de var på randen af hungersnød.
I moderne, intensive landbrugspraksis er betydningen af syntetiske nitrogengødninger vokset markant. I øjeblikket Den globale produktion overstiger 100 millioner tons af denne vare årligt, og fremskrivninger fra De Forenede Nationers Fødevare- og Landbrugsorganisation indikerer, at efterspørgslen forventes at stige støt, især i regioner som Afrika og Sydasien.
Er det levedygtigt på længere sigt?
Med stigende global efterspørgsel ligger udfordringen med kvælstofstyring i at levere nok nitrogen til at opfylde globale fødevaresikkerhedsbehov og samtidig reducere frigivelsen af overskydende kvælstof, 300 gange mere skadelig for miljøet end kuldioxid.
I visse områder hindrer en nitrogenmangel opnåelsen af fødevare- og ernæringssikkerhed. Derimod slipper næsten halvtreds procent af den kvælstofgødning, der bruges i landbruget i andre regioner ud i miljøet, hvilket fører til negative effekter som f.eks. øgede miljørisici, irreversibel jordforringelse og forurening af vandressourcer.
Dette problem kan løses ved at forbedre effektiviteten af kvælstofforbruget, som er baseret på en mangefacetteret beregning, der ofte kræver en sammenligning mellem afgrødebiomasse (hovedsageligt økonomisk udbytte) eller kvælstofindhold/-optagelse (udbytte) og kvælstof tilført (input) gennem gødning eller syntetisk gødning. Ved at optimere dette forhold øges ikke kun afgrødeproduktiviteten, men miljøtab reduceres også gennem omhyggelig agronomisk forvaltning, hvilket bidrager til langsigtet forbedring af jordkvaliteten.
I øjeblikket er den globale gennemsnitlige nitrogenudnyttelseseffektivitet ikke overstiger 50 %, et godt stykke under de 67 %, der skønnes nødvendige for at imødekomme den globale fødevareefterspørgsel i 2050, samtidig med at det sikres, at overskydende nitrogen forbliver inden for acceptable tærskler for luft- og vandkvalitet.
Selvom avancerede teknologiske løsninger til kvælstofhåndtering dukker op, kan landmænd opnå øjeblikkelige forbedringer i effektiviteten af kvælstofforbruget gennem en række forskellige metoder, herunder gødningspåføring, brug af kvælstofgødning med langsom frigivelse, brugen af præcisionsværktøjer til påføring af nitrogen (såsom Green Seeker) eller ved at implementere gødning gennem mikrovanding.
Optimal teknologi
Der er gjort betydelige fremskridt i udviklingen af teknologier rettet mod effektiv kvælstofhåndtering, som i kombination med passende agronomiske metoder har vist potentialet til at forbedre afgrødeudbyttet. Denne tilgang forbedrer effektiviteten af kvælstofforbruget og minimerer kvælstofoverskuddet i afgrøder.
Forskere er ved at undersøge fordele ved biologisk hæmning af nitrifikation, en mekanisme, hvorigennem planter frigiver stoffer, der påvirker nitrogenkredsløbet i jorden. Dette naturlige fænomen, der observeres i visse græsser og vilde slægtninge til hvede, spiller en afgørende rolle for en betydelig reduktion af kvælstofemissioner.
I 2007 identificerede forskere biologiske nitrifikationsegenskaber i en slægtning til hvede, og i 2018 overførte de med succes disse egenskaber til en række forskellige kinesiske vårhvede. Selvom de foreløbige resultater indikerede lav produktivitet og stadig er i de tidlige udviklingsfaser, er forskere interesserede i at evaluere den mulige anvendelse af denne proces på kommercielle hvedesorter i fremtiden. Hvis den lykkes, har denne teknologi potentialet til i væsentlig grad at påvirke opnåelsen af globale nitrogenforbrugseffektivitetsmål.