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

Los agricultores han enfrentado durante mucho tiempo una difícil elección al alimentar sus cultivos. Para cultivar suficiente alimento para un mundo en crecimiento, deben aplicar fertilizante nitrogenado, pero la forma en que lo aplican a menudo crea una cascada de problemas ambientales. Cuando los agricultores esparcen fertilizante seco sobre la superficie de sus campos, una gran parte de ese nitrógeno escapa al aire en forma de gas amoníaco, contribuyendo al smog y a la lluvia ácida. Si intentan solucionar esto enterrando el fertilizante profundamente en el suelo para evitar que escape, a menudo desencadenan un problema diferente: el nitrógeno enterrado puede transformarse en óxido de nitrógeno, un potente gas de efecto invernadero que atrapa el calor de manera mucho más eficaz que el dióxido de carbono. Durante décadas, los científicos han luchado por encontrar un método que detenga tanto la subida del amoníaco como la formación de gases de efecto invernadero sin sacrificar el rendimiento de los cultivos.

En los campos de arroz y trigo de la región de Taihu, en China, un equipo de investigadores ha probado un nuevo enfoque que parece resolver este dilema. Combinaron dos técnicas específicas: inyectar fertilizante líquido profundamente en el suelo en dos dosis separadas, y añadir una sustancia natural que ralentiza la descomposición química del nitrógeno. Los resultados, observados durante dos ciclos completos de cultivo, muestran que esta combinación no solo reduce las emisiones de amoníaco y gases de efecto invernadero, sino que también aumenta la cantidad de grano cosechado. El estudio sugiere que, al cambiar dónde y cómo se entrega el nitrógeno a la planta, los agricultores pueden proteger el aire y el clima mientras siguen alimentando a la población.

El experimento tuvo lugar en una región conocida por su agricultura intensiva, donde se cultiva arroz en el verano y trigo en el invierno. Los investigadores establecieron una serie de parcelas de prueba para comparar diferentes formas de gestionar el nitrógeno. Un grupo recibió el tratamiento tradicional: urea seca esparcida sobre la superficie del campo en tres aplicaciones distintas. Otro grupo recibió una cantidad reducida de este mismo fertilizante de superficie. Un tercer grupo recibió la cantidad reducida pero con un inhibidor de la nitrificación biológica añadido, una sustancia derivada de las raíces de sorgo que ralentiza naturalmente la conversión de amonio en nitrato. El grupo final, que se convirtió en el foco de este avance, recibió un fertilizante líquido soluble en agua inyectado diez centímetros bajo la superficie del suelo. Esta inyección ocurrió dos veces: una al inicio de la temporada y otra más tarde, sincronizada con las necesidades de crecimiento del cultivo. Este grupo de inyección profunda también fue probado con y sin el inhibidor biológico.

Los resultados revelaron un contraste marcado entre los métodos. El esparcimiento tradicional de fertilizante en la superficie provocó pérdidas masivas de amoníaco. En la temporada de arroz, el tratamiento de superficie liberó más de cuarenta y seis kilogramos de nitrógeno por hectárea en forma de gas amoníaco. En la temporada de trigo, la pérdida fue de casi catorce kilogramos por hectárea. Esta pérdida no solo contamina el aire, sino que representa dinero perdido para el agricultor. Cuando los investigadores añadieron el inhibidor biológico al fertilizante de superficie, el problema empeoró. El inhibidor logró ralentizar la descomposición del nitrógeno, pero debido a que el fertilizante estaba situado en la superficie, el nitrógeno permaneció allí durante más tiempo en una forma que podía escapar fácilmente como gas. En la temporada de trigo, esta combinación de hecho aumentó la pérdida de amoníaco en un sesenta y siete por ciento en comparación con el fertilizante reducido solo.

Sin embargo, el método de inyección profunda cambió el resultado por completo. Al empujar el fertilizante líquido diez centímetros bajo tierra, los investigadores atraparon eficazmente el nitrógeno donde las raíces de la planta pudieran alcanzarlo. En las parcelas donde se inyectó el fertilizante sin el inhibidor, las pérdidas de amoníaco cayeron a menos de un kilogramo por hectárea, un nivel estadísticamente indistinguible de las parcelas de control que no recibieron fertilizante alguno. El nitrógeno simplemente no estaba disponible para escapar al aire porque estaba enterrado profundamente en el suelo, lejos de la atmósfera.

Esta separación física del nitrógeno del aire también resolvió el problema de los gases de efecto invernadero. El estudio midió las emisiones de óxido de nitrógeno y metano, los dos principales gases de efecto invernadero de la agricultura. El método tradicional de superficie produjo los niveles más altos de estos gases. El método de inyección profunda, incluso sin el inhibidor, redujo significativamente las emisiones de óxido de nitrógeno en casi un sesenta por ciento en el arroz y un cuarenta y tres por ciento en el trigo. Cuando los investigadores añadieron el inhibidor biológico al método de inyección profunda, la reducción fue aún más dramática. En la temporada de arroz, las emisiones de óxido de nitrógeno cayeron un setenta y uno por ciento en comparación con el método tradicional. En la temporada de trigo, la reducción fue del cincuenta y cuatro por ciento. Las emisiones de metano, que se producen principalmente en los campos de arroz inundados, también disminuyeron aproximadamente un treinta y cuatro por ciento en el arroz y un cuarenta y siete por ciento en el trigo cuando se utilizó el método combinado de inyección profunda e inhibidor.

El mecanismo detrás de este éxito reside en cómo el nitrógeno se mueve y cambia en el suelo. Cuando el fertilizante se esparce en la superficie, se asienta en la capa superior donde hay abundante oxígeno, lo que permite que las bacterias lo conviertan rápidamente en nitrato, que luego escapa como óxido de nitrógeno o se lava. Cuando el fertilizante se inyecta profundamente, permanece en una zona con menos oxígeno, donde se mantiene como amonio, una forma que las plantas prefieren. El inhibidor biológico ralentiza aún más las bacterias que, de otro modo, convertirían este amonio en nitrato. Debido a que el nitrógeno se mantiene profundo en el suelo y se conserva en la forma de amonio, no está disponible para ser convertido en los gases que dañan el clima. El estudio confirmó esto midiendo el suelo directamente, mostrando que el amonio permanecía concentrado cerca del sitio de inyección mientras que los niveles de nitrato se mantenían bajos.

Más allá de los beneficios ambientales, el nuevo método mejoró la cosecha. Las parcelas que utilizaron la inyección profunda dividida con el inhibidor biológico produjeron los mayores rendimientos de todos. La cosecha de arroz aumentó casi un seis por ciento en comparación con el método tradicional, y la cosecha de trigo saltó casi un veinte por ciento. Esto se logró a pesar de que los investigadores aplicaron menos nitrógeno total en estas parcelas. El método tradicional utilizó trescientos kilogramos de nitrógeno por hectárea para el arroz, mientras que el nuevo método utilizó solo ciento ochenta. La eficiencia del nuevo método significó que más fertilizante terminó en el grano en lugar de perderse en el aire o el suelo. El análisis económico mostró que, a pesar del mayor costo del fertilizante líquido y el equipo especializado necesario para inyectarlo, los ahorros derivados de la reducción del daño ambiental y el aumento del valor de los cultivos hicieron que el nuevo método fuera más rentable en general.

El estudio destaca una lección crítica sobre la tecnología agrícola: la ubicación de una solución importa tanto como la solución misma. El inhibidor biológico, cuando se utiliza en la superficie, agravó el problema del amoníaco. Pero cuando el mismo inhibidor se utilizó con la inyección profunda, se convirtió en parte de un sistema altamente eficaz. La colocación profunda evitó que el amoníaco escapara, permitiendo que el inhibidor hiciera su trabajo de ralentizar la formación de nitrato sin la penalización de un aumento de la contaminación del aire. Esta combinación de inyección profunda e inhibición biológica ofrece una forma de romper el compromiso que ha plagado a los agricultores durante años. Demuestra que es posible reducir la contaminación por nitrógeno y las emisiones de gases de efecto invernadero simultáneamente, aumentando al mismo tiempo la producción de alimentos, siempre que el fertilizante se entregue directamente donde la planta lo necesita. Los investigadores señalan que, para que este método se generalice, se necesitará mejor maquinaria para inyectar fertilizante líquido a gran escala, pero el potencial para una agricultura más limpia y productiva está ahora claramente al alcance de la mano.