Dušik je najpomembnejše hranilo za rastlinsko pridelavo, a tudi eno najtežjih za uravnavanje. Ta spojina je ključnega pomena za svetovno kmetijsko proizvodnjo. Vendar se presežek dušika iz gnojil izpira v okolje, kar ima škodljive učinke.
V tem članku bomo govorili o pomen dušika v kmetijstvu in kako se lahko nekateri pridelki hranijo z dušikom iz zraka.
Kakšen je pomen dušika za rast rastlin?
Dušik igra ključno vlogo tako v rastlinah kot pri ljudeh, saj se uporablja za sintezo aminokislin, ki ustvarjajo beljakovine, odgovorne za gradnjo celic, in predstavlja eno temeljnih sestavin DNK. Poleg tega Dušik je ključnega pomena za rast rastlin, saj je glavni element klorofila, spojina, ki rastlinam omogoča, da izkoristijo energijo sončne svetlobe za pretvorbo vode in ogljikovega dioksida v sladkorje.
Dušikov cikel temelji na nizu procesov, pri katerih dušik prehaja iz ozračja v tla, gre skozi prst in se nazadnje vrne v ozračje.
Proces se začne z biološko fiksacijo dušika, pojav, pri katerem bakterije, ki vežejo dušik, ki živijo v koreninskih gomoljih stročnic, pretvorijo organsko snov v amonij, ki se nato pretvori v nitrat. Rastline lahko absorbirajo nitrat iz zemlje in ga presnovijo v dušik, ki je potreben za njihovo rast, medtem ko denitrifikacijske bakterije olajšajo pretvorbo odvečnega nitrata v anorganski dušik, ki se nato sprosti v ozračje.
Čezmerni nitrati ali tisti, ki se izgubijo z izpiranjem (ko se bistvena hranila raztopijo zaradi dežja ali namakanja), lahko prodrejo v vire podzemne vode in jih onesnažijo.
Kakšna je vloga dušikovih gnojil?
Tisočletja se človeštvo z dušikom večinoma ni ukvarjalo. Vendar pa je na začetku 20. Postalo je jasno, da intenzivne kmetijske prakse zmanjšujejo raven nitratov v tleh, kar je povzročilo zaskrbljenost glede naraščajočega svetovnega prebivalstva in neposredne grožnje prehranske krize.
Po industrializaciji proizvodnje je imela uvedba sintetičnih dušikovih gnojil ključno vlogo pri povečanju Zelena revolucija, ki je vodila do znatnega povečanja svetovne kmetijske proizvodnje, ki se je začela v poznih šestdesetih letih prejšnjega stoletja. V tem obdobju so tako Mehika kot narodi Indije in Pakistana dosegli samooskrbo s pridelavo pšenice, čeprav so bili na robu lakote.
V sodobnih intenzivnih kmetijskih praksah je pomen sintetičnih dušikovih gnojil izrazito narasel. trenutno, Svetovna proizvodnja presega 100 milijonov metričnih ton tega blaga letno, projekcije Organizacije Združenih narodov za prehrano in kmetijstvo pa kažejo, da naj bi se povpraševanje vztrajno povečevalo, zlasti v regijah, kot sta Afrika in Južna Azija.
Ali je dolgoročno izvedljivo?
Z naraščajočim svetovnim povpraševanjem je izziv upravljanja z dušikom zagotoviti dovolj dušika za izpolnitev svetovnih potreb po varnosti preskrbe s hrano, hkrati pa zmanjšati sproščanje odvečnega dušika, 300-krat bolj škodljiv za okolje kot ogljikov dioksid.
Na določenih območjih pomanjkanje dušika ovira doseganje prehranske in prehranske varnosti. Nasprotno pa v drugih regijah skoraj petdeset odstotkov dušikovih gnojil, ki se uporabljajo v kmetijstvu, uide v okolje, kar povzroči škodljive učinke, kot je npr. povečana okoljska tveganja, nepopravljiva degradacija tal in onesnaženje vodnih virov.
To težavo je mogoče rešiti z izboljšanjem učinkovitosti uporabe dušika, ki temelji na večplastnem izračunu, ki pogosto zahteva primerjavo med biomaso pridelka (predvsem ekonomski donos) ali vsebnostjo/vnosom dušika (donos) in dušikom, uporabljenim (vnosom) z gnojem ali sintetiko gnojila. Z optimizacijo tega razmerja se ne poveča samo produktivnost pridelka, ampak se zmanjšajo tudi okoljske izgube z natančnim agronomskim upravljanjem, kar prispeva k dolgoročnemu izboljšanju kakovosti tal.
Trenutno je svetovna povprečna učinkovitost izrabe dušika ne presega 50 %, kar je precej pod 67 %, ki je ocenjeno, da je potrebno za zadovoljitev svetovnih potreb po hrani leta 2050, hkrati pa zagotoviti, da presežek dušika ostane znotraj sprejemljivih pragov za kakovost zraka in vode.
Čeprav se pojavljajo napredne tehnološke rešitve za upravljanje z dušikom, lahko kmetje dosežejo takojšnje izboljšave učinkovitosti uporabe dušika z različnimi metodami, vključno z uporabo gnojil, uporabo dušikovih gnojil s počasnim sproščanjem, uporaba natančnih orodij za nanašanje dušika (kot je Green Seeker) ali z izvajanjem gnojenja z mikronamakanjem.
Optimalna tehnologija
Pomemben napredek je bil dosežen pri razvoju tehnologij za učinkovito ravnanje z dušikom, ki so v kombinaciji z ustreznimi agronomskimi praksami pokazale potencial za izboljšanje pridelka. Ta pristop izboljša učinkovitost uporabe dušika in zmanjša presežek dušika v pridelkih.
Raziskovalci preučujejo prednosti biološke inhibicije nitrifikacije, mehanizma, preko katerega rastline sproščajo snovi, ki vplivajo na cikel dušika v tleh. Ta naravni pojav, opažen pri nekaterih travah in divjih sorodnikih pšenice, igra ključno vlogo pri znatnem zmanjšanju emisij dušika.
Leta 2007 so raziskovalci identificirali biološke lastnosti nitrifikacije pri sorodnici pšenice, leta 2018 pa so te lastnosti uspešno prenesli na vrsto kitajske spomladanske pšenice. Čeprav so preliminarni rezultati pokazali nizko produktivnost in so še vedno v zgodnjih fazah razvoja, znanstvenike zanima ocena možne uporabe tega postopka pri komercialnih sortah pšenice v prihodnosti. Če bo uspešna, lahko ta tehnologija znatno vpliva na doseganje globalnih ciljev učinkovitosti rabe dušika.