Azot jest najważniejszym składnikiem odżywczym niezbędnym do produkcji roślinnej, ale także jednym z najtrudniejszych do uregulowania. Związek ten jest niezbędny dla światowej produkcji rolnej. Jednakże nadmiar azotu z nawozów przedostaje się do środowiska, co prowadzi do szkodliwych skutków.
W tym artykule porozmawiamy o znaczenie azotu w rolnictwie oraz sposób zasilania niektórych upraw azotem z powietrza.
Jakie znaczenie dla wzrostu roślin ma azot?
Azot odgrywa kluczową rolę zarówno u roślin, jak i u człowieka, ponieważ służy do syntezy aminokwasów wytwarzających białka odpowiedzialne za budowę komórek i stanowi jeden z podstawowych składników DNA. Oprócz, Azot jest niezbędny do wzrostu roślin, gdyż jest głównym składnikiem chlorofilu, związek, który pozwala roślinom wykorzystywać energię światła słonecznego do przekształcania wody i dwutlenku węgla w cukry.
Obieg azotu opiera się na szeregu procesów, w wyniku których azot przedostaje się z atmosfery do ziemi, przechodzi przez glebę i ostatecznie powraca do atmosfery.
Proces rozpoczyna się od biologicznego wiązania azotu, zjawisko, podczas którego bakterie wiążące azot zamieszkujące brodawki korzeniowe roślin strączkowych przekształcają materię organiczną w amon, który następnie przekształca się w azotan. Rośliny potrafią pobierać azotany z gleby i metabolizować je do niezbędnego do ich wzrostu azotu, natomiast bakterie denitryfikacyjne ułatwiają przemianę nadmiaru azotanów w azot nieorganiczny, który następnie jest uwalniany do atmosfery.
Nadmiar azotanów lub azotanów utraconych w wyniku wymywania (kiedy niezbędne składniki odżywcze rozpuszczają się w wyniku deszczu lub nawadniania) może przedostać się do źródeł wód gruntowych i je zanieczyścić.
Jaka jest rola nawozów azotowych?
Przez tysiąclecia ludzkość w dużej mierze nie przejmowała się azotem. Jednakże już na początku XX w. Stało się jasne, że intensywne praktyki rolnicze zmniejszają poziom azotanów w glebie, co prowadzi do obaw związanych ze wzrostem liczby ludności na świecie i bezpośrednim zagrożeniem kryzysem żywnościowym.
Po industrializacji produkcji kluczową rolę w ożywieniu produkcji odegrało wprowadzenie syntetycznych nawozów azotowych Zielona Rewolucja, która doprowadziła do znacznego wzrostu światowej produkcji rolnej, począwszy od końca lat sześćdziesiątych XX wieku. W tym okresie zarówno Meksyk, jak i narody Indii i Pakistanu osiągnęły samowystarczalność w produkcji pszenicy, mimo że były na skraju głodu.
We współczesnych intensywnych praktykach rolniczych znacznie wzrosło znaczenie syntetycznych nawozów azotowych. W tej chwili Światowa produkcja przekracza 100 milionów ton tego towaru rocznie, a prognozy Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa wskazują, że oczekuje się stałego wzrostu popytu, szczególnie w regionach takich jak Afryka i Azja Południowa.
Czy jest to opłacalne na dłuższą metę?
Wraz ze wzrostem globalnego popytu wyzwanie w zakresie zarządzania azotem polega na dostarczaniu wystarczającej ilości azotu, aby zaspokoić globalne potrzeby w zakresie bezpieczeństwa żywnościowego, przy jednoczesnym ograniczeniu uwalniania nadmiaru azotu, 300 razy bardziej szkodliwy dla środowiska niż dwutlenek węgla.
Na niektórych obszarach niedobór azotu utrudnia osiągnięcie bezpieczeństwa żywnościowego i żywieniowego. Z kolei w innych regionach prawie pięćdziesiąt procent nawozów azotowych stosowanych w rolnictwie przedostaje się do środowiska, powodując niekorzystne skutki, takie jak zwiększone ryzyko dla środowiska, nieodwracalna degradacja gleby i zanieczyszczenie zasobów wodnych.
Problem ten można rozwiązać poprzez poprawę efektywności wykorzystania azotu, która opiera się na wieloaspektowych obliczeniach, które często wymagają porównania biomasy upraw (głównie plonów ekonomicznych) lub zawartości/poboru azotu (plony) i azotu zastosowanego (wsad) w oborniku lub materiałach syntetycznych nawozy. Optymalizując tę zależność, nie tylko zwiększa się produktywność upraw, ale także zmniejsza się straty środowiskowe poprzez skrupulatne zarządzanie agronomiczne, przyczyniając się do długoterminowej poprawy jakości gleby.
Obecnie średnia światowa efektywność wykorzystania azotu nie przekracza 50%, czyli znacznie poniżej 67% szacowanych na potrzeby zaspokojenia światowego zapotrzebowania na żywność w 2050 r., zapewniając jednocześnie, że nadmiar azotu pozostanie w dopuszczalnych progach dotyczących jakości powietrza i wody.
Chociaż pojawiają się zaawansowane rozwiązania technologiczne w zakresie gospodarki azotem, rolnicy mogą osiągnąć natychmiastową poprawę efektywności wykorzystania azotu za pomocą różnych metod, w tym stosowania nawozów, stosowania nawozów azotowych o powolnym uwalnianiu, stosowanie precyzyjnych narzędzi do aplikacji azotu (takie jak Green Seeker) lub poprzez fertygację poprzez mikronawadnianie.
Optymalna technologia
Dokonano znacznego postępu w rozwoju technologii mających na celu efektywną gospodarkę azotem, które w połączeniu z odpowiednimi praktykami agronomicznym wykazały potencjał poprawy plonów. Takie podejście poprawia efektywność wykorzystania azotu i minimalizuje jego nadwyżki w uprawach.
Naukowcy badają zalety biologicznego hamowania nitryfikacji, mechanizmu, dzięki któremu rośliny uwalniają substancje wpływające na obieg azotu w glebie. To naturalne zjawisko, obserwowane w przypadku niektórych traw i dzikich krewnych pszenicy, odgrywa kluczową rolę w znacznym ograniczeniu emisji azotu.
W 2007 r. badacze zidentyfikowali biologiczne cechy nitryfikacji u krewnego pszenicy, a w 2018 r. z powodzeniem przenieśli te cechy na odmianę chińskiej pszenicy jarej. Chociaż wstępne wyniki wskazywały na niską produktywność i wciąż znajdują się we wczesnej fazie rozwoju, naukowcy są zainteresowani oceną możliwości zastosowania tego procesu w przyszłości do komercyjnych odmian pszenicy. Jeśli technologia ta się powiedzie, może znacząco wpłynąć na osiągnięcie globalnych celów w zakresie efektywności wykorzystania azotu.