Split injection with BNI breaks the trade-off between NH3 and greenhouse gas emissions in rice-wheat rotations

Landwirte stehen seit langem vor einer schwierigen Entscheidung bei der Düngung ihrer Nutzpflanzen. Um genug Nahrung für eine wachsende Welt zu produzieren, müssen sie Stickstoffdünger anwenden, aber die Art und Weise, wie sie diesen ausbringen, führt oft zu einer Kaskade von Umweltproblemen. Wenn Landwirte trockenen Dünger auf der Oberfläche ihrer Felder verteilen, entweicht ein großer Teil dieses Stickstoffs als Ammoniakgas in die Luft, was zur Bildung von Smog und saurem Regen beiträgt. Wenn sie versuchen, dies zu beheben, indem sie den Dünger tief im Boden vergraben, um das Entweichen zu verhindern, lösen sie oft ein anderes Problem aus: Der im Boden vergrabene Stickstoff kann sich in Distickstoffoxid verwandeln, einem starken Treibhausgas, das Wärme weita viel effektiver als Kohlendioxid einschließt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler vergeblich nach einer Methode gesucht, die sowohl den Aufstieg von Ammoniak als als auch die Bildung von Treibhausgasen verhindert, ohne den Ernteertrag zu opfern.

In den Reis-Weizen-Feldern der chinesischen Taihu-Region hat ein Forscherteam einen neuen Ansatz getestet, der scheinbar dieses Dilemma löst. Sie kombinierten zwei spezifische Techniken: das Injizieren von Flüssigdünger in zwei separaten Dosen tief in den Boden und das Hinzufügen einer natürlichen Substanz, die den chemischen Abbau von Stickstoff verlangsamt. Die Ergebnisse, die über zwei volle Wachstumszyklen beobachtet wurden, zeigen, dass diese Kombination nicht nur die Emissionen von Ammoniak und Treibhausgasen senkt, sondern auch die Menge der geernteten Körner erhöht. Die Studie legt nahe, dass Landwirte durch eine Änderung der Art und Weise, wo und wie Stickstoff an die Pflanze geliefert wird, die Luft und das Klima schützen und gleichzeitig die Bevölkerung ernähren können.

Das Experiment fand in einer Region statt, die für intensive Landwirtschaft bekannt ist, in der im Sommer Reis und im Winter Weizen angebaut wird. Die Forscher richteten eine Reihe von Testparzellen ein, um verschiedene Methoden des Stickstoffmanagements zu vergleichen. Eine Gruppe erhielt die traditionelle Behandlung: trockenen Harnstoffdünger, der in drei separaten Anwendungen auf der Feldoberfläche verteilt wurde. Eine zweite Gruppe erhielt eine reduzierte Menge desselben Oberflächendüngers. Eine dritte Gruppe erhielt die reduzierte Menge, jedoch mit einem hinzugefügten biologischen Nitrifikationshemmer – einer Substanz, die aus Sorghumwurzeln gewonnen wurde und den natürlichen Prozess der Umwandlung von Ammonium in Nitrat verlangsamt. Die letzte Gruppe, die zum Fokus des Durchbruchs wurde, erhielt einen wasserlöslichen Flüssigdünger, der zehn Zentimeter tief in den Boden injiziert wurde. Diese Injektion erfolgte zweimal: einmal zu Beginn der Saison und ein zweites Mal später, abgestimmt auf den Wachstumsbedarf der Kulturpflanze. Diese Gruppe der Tiefinjektion wurde zudem mit und ohne den biologischen Hemmstoff getestet.

Die Ergebnisse zeigten einen drastischen Kontrast zwischen den Methoden. Die traditionelle Oberflächenausbringung des Düngers führte zu massiven Stickstoffverlusten durch Ammoniak. In der Reissaison entließ die Oberflächenbehandlung über sechsundvierzig Kilogramm Stickstoff pro Hektar als Ammoniakgas. In der Weizensaison betrug der Verlust fast vierzehn Kilogramm pro Hektar. Dieser Verlust verschmutt nicht nur die Luft, sondern stellt auch eine Geldverschwendung für den Landwirt dar. Als die Forscher den biologischen Hemmstoff zum Oberflächendünger hinzufügten, verschlechterte sich das Problem sogar noch. Der Hemmstoff verlangsamte zwar erfolgreich den Abbau des Stickstoffs, aber da der Dünger auf der Oberfläche lag, verblieb der Stickstoff länger in einer Form, die leicht als Gas entweichen konnte. In der Weizensaison erhöhte diese Kombination den Ammoniakverlust im Vergleich zur reduzierten Düngung tatsächlich um siebenundsechzig Prozent.

Die Methode der Tiefinjektion änderte das Ergebnis jedoch grundlegend. Indem die Forscher den Flüssigdünger zehn Zentimeter tief in den Boden drückten, gelang es ihnen effektiv, den Stickstoff dort einzuschließen, wo die Pflanzenwurzeln ihn erreichen können. In den Parzellen, in denen der Dünger ohne den Hemmstoff injiziert wurde, sanken die Ammoniakverluste auf weniger als ein Kilogramm pro Hektar – ein Niveau, das statistisch nicht von den Kontrollparzellen unterschied sich, die gar keinen Dünger erhielten. Der Stickstoff war der Atmosphäre schlichtweg nicht mehr zugänglich, da er tief im Boden vergraben war, fernab der Luft.

Diese physische Trennung des Stickstoffs von der Luft löste auch das Treibhausgasproblem. Die Studie maß die Emissionen von Distickstoffoxid und Methan, den beiden wichtigsten landwirtschaftlichen Treibhausgasen. Die traditionelle Oberflächenmethode erzeugte die höchsten Mengen dieser Gase. Die Tiefinjektionsmethode reduzierte selbst ohne den Hemmstoff die Distickstoffoxid-Emissionen um fast sechzig Prozent im Reis und um dreiundvierzig Prozent im Weizen. Als die Forscher den biologischen Hemmstoff zur Tiefinjektionsmethode hinzufügten, war die Reduktion noch dramatischer. In der Reissaison fielen die Distickstoffoxid-Emissionen im Vergleich zur traditionellen Methode um einundsiebzig Prozent aus. In der Weizensaison betrug die Reduktion fünfundvierzig Prozent. Auch die Methanemissionen, die primlich in den überfluteten Reisfeldern entstehen, sanken bei Verwendung der kombinierten Methode aus Tiefinjektion und Hemmstoff um etwa vierunddreißig Prozent im Reis und um siebenundvierzig Prozent im Weizen.

Der Mechanismus hinter diesem Erfolg liegt darin, wie sich der Stickstoff im Boden bewegt und verändert. Wenn Dünger auf der Oberfläche ausgebracht wird, verbleibt er in der obersten Schicht, in der reichlich Sauerstoff vorhanden ist, was Bakterien dazu veranlasst, ihn schnell in Nitrat umzuwandeln, welches dann als Distickstoffoxid entweicht oder ausgewaschen wird. Wenn Dünger tief injiziert wird, verbleibt er in einer Zone mit weniger Sauerstoff, in der er als Ammonium erhalten bleibt – eine Form, die Pflanzen bevorzugen. Der biologische Hemmstoff verlangsamt zusätzlich die Bakterien, die das Ammonium andernfalls in Nitrat umwandeln würden. Da der Stickstoff tief im Boden gehalten und in der Ammoniumform stabilisiert wird, steht er nicht zur Verfügung, um in die Gase umgewandelt zu werden, die das Klima schädigen. Die Studie bestätigte dies durch direkte Bodenmessungen, die zeigten, dass das Ammonium konzentriert in der Nähe der Injektionsstelle verblieb, während die Nitratwerte niedrig blieben.

Über die ökologischen Vorteile hinaus verbesserte die neue Methode auch die Ernte. Die Parzellen, die die geteilte Tiefinjektion mit dem biologischen Hemmstoff nutzten, lieferten die höchsten Erträge aller Gruppen. Die Reisernte stieg im Vergleich zur traditionellen Methode um fast sechs Prozent, und die Weizenernte sprang um fast zwanzig Prozent nach oben. Dies wurde erreicht, obwohl die Forscher der Gruppe insgesamt weniger Stickstoff zuführten. Die traditionelle Methode verwendete dreihundert Kilogramm Stickstoff pro Hektar für Reis, während die neue Methode nur einhundertachtzig Kilogramm benötigte. Die Effizienz der neuen Methode bedeutete, dass mehr vom Dünger im Korn landete, anstatt an die Luft oder in den Boden verloren zu gehen. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse zeigte, dass trotz der höheren Kosten für den Flüssigdünger und die benötigten Spezialmaschinen für die Injektion die Einsparungen durch die verringerten Umweltschäden und den höheren Ertragswert die neue Methode insgesamt profitabler machten.

Die Studie unterstreicht eine entscheidende Lektion über Agrartechnologie: Die Platzierung einer Lösung ist ebenso wichtig wie die Lösung selbst. Der biologische Hemmstoff machte bei der Oberflächenanwendung das Ammoniakproblem sogar schlimmer. Doch als derselbe Hemmstoff mit der Tiefinjektion kombiniert wurde, wurde er Teil eines hocheffektiven Systems. Die tiefe Platzierung verhinderte das Entweichen des Ammoniaks und ermöglichte es dem Hemmstoff, seine Aufgabe – die Verlangsamung der Nitratbildung – ohne die Strafe einer erhöhten Luftverschmutzung zu erfüllen. Diese Kombination aus Tiefinjektion und biologischer Hemmung bietet einen Weg, den Zielkonflikt zu lösen, der Landwirte seit Jahren plagt. Sie zeigt, dass es möglich ist, Stickstoffverschmutzung und Treibhausgasemissionen gleichzeitig zu reduzieren und gleichzeitig die Lebensmittelproduktion zu steigern, sofern der Dünger direkt dorthin geliefert wird, wo die Pflanze ihn benötigt. Die Forscher merken an, dass für eine weltweite Verbreitung dieser Methode bessere Maschinen zur großflächigen Injektion von Flüssigdünger benötigt werden, doch das Potenzial für eine sauberere und produktivere Landwirtschaft ist nun klar in Reichweite.