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

फसलों को खिलाने के लिए किसानों को लंबे समय से एक कठिन विकल्प का सामना करना पड़ा है। बढ़ती दुनिया के लिए पर्याप्त भोजन उगाने के लिए, उन्हें नाइट्रोजन उर्वरक का उपयोग करना चाहिए, लेकिन जिस तरह से वे इसे लगाते हैं, वह अक्सर पर्यावरणीय समस्याओं की एक श्रृंखला पैदा करता है। जब किसान अपने खेतों की सतह पर सूखा उर्वरक फैलाते हैं, तो उस नाइट्रोजन का एक बड़ा हिस्सा अमोनिया गैस के रूप में हवा में निकल जाता है, जो स्मॉग और अम्लीय वर्षा में योगदान देता है। यदि वे इसे रोकने के लिए उर्वरक को मिट्टी में गहराई तक दबाने की कोशिश करते हैं, तो वे अक्सर एक अलग समस्या को जन्म देते हैं: दबा हुआ नाइट्रोजन नाइट्रस ऑक्साइड में बदल सकता है, जो एक शक्तिशाली ग्रीनहाउस गैस है और कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी ढंग से गर्मी को रोकती है। दशकों से, वैज्ञानिक एक ऐसी विधि खोजने के लिए संघर्ष कर रहे हैं जो फसल की पैदावार से समझौता किए बिना अमोनिया को ऊपर उठने और ग्रीनहाउस गैसों के बनने, दोनों को रोक सके।

चीन के ताइहू क्षेत्र के चावल-गेहूं के खेतों में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए दृष्टिकोण का परीक्षण किया है जो इस दुविधा को हल करता हुआ प्रतीत होता है। उन्होंने दो विशिष्ट तकनीकों को जोड़ा: तरल उर्वरक को दो अलग-अलग खुराकों में मिट्टी में गहराई में इंजेक्ट करना, और एक प्राकृतिक पदार्थ मिलाना जो नाइट्रोजन के रासायनिक टूटने की प्रक्रिया को धीमा कर देता है। दो पूर्ण बढ़ते चक्रों में देखे गए परिणाम दर्शाते हैं कि यह संयोजन न केवल अमोनिया और ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम करता है, बल्कि अनाज की कटाई की मात्रा को भी बढ़ाता है। अध्ययन बताता है कि नाइट्रोजन को पौधे तक पहुँचाने के स्थान और तरीके को बदलकर, किसान आबादी को खिलाने के साथ-साथ हवा और जलवायु की रक्षा कर सकते हैं।

यह प्रयोग एक ऐसे क्षेत्र में आयोजित किया गया था जो गहन कृषि के लिए जाना जाता है, जहाँ गर्मियों में चावल और सर्दियों में गेहूं उगाया जाता है। शोधकर्ताओं ने नाइट्रोजन प्रबंधन के विभिन्न तरीकों की तुलना करने के लिए परीक्षण भूखंडों की एक श्रृंखला तैयार की। एक समूह को पारंपरिक उपचार दिया गया: सूखे यूरिया उर्वरक का तीन अलग-अलग अनुप्रयोगों में सतह पर छिड़काव किया गया। दूसरे समूह को इसी सतह वाले उर्वरक की कम मात्रा दी गई। तीसरे समूह को कम मात्रा में उर्वरक दिया गया, लेकिन इसमें एक जैविक नाइट्रिफिकेशन अवरोधक (biological nitrification inhibitor) मिलाया गया, जो सोरघम (ज्वार) की जड़ों से प्राप्त एक पदार्थ है जो प्राकृतिक रूप से अमोनियम को नाइट्रेट में बदलने की प्रक्रिया को धीमा कर देता है। अंतिम समूह, जो इस सफलता का केंद्र बना, उसे दस सेंटीमीटर गहरा तरल उर्वरक इंजेक्ट किया गया। यह इंजेक्शन दो बार हुआ: एक बार सीजन की शुरुआत में और दूसरी बार बाद में, फसल की बढ़ती जरूरतों के अनुसार। इस डीप इंजेक्शन समूह का परीक्षण अवरोधक के साथ और बिना अवरोधक के भी किया गया।

परिणामों ने विधियों के बीच एक स्पष्ट अंतर दिखाया। उर्वरक के पारंपरिक सतह छिड़काव से अमोनिया की भारी हानि हुई। चावल के सीजन में, सतह उपचार ने प्रति हेक्टेयर चालीस किलो से अधिक नाइट्रोजन अमोनिया गैस के रूप में छोड़ी। गेहूं के सीजन में, यह नुकसान लगभग चौदह किलोग्राम प्रति हेक्टेयर था। यह नुकसान न केवल हवा को प्रदूषित करता है बल्कि किसान के लिए पैसे की बर्बादी भी है। जब शोधकर्ताओं ने सतह वाले उर्वरक में जैविक अवरोधक मिलाया, तो समस्या और बढ़ गई। अवरोधक ने नाइट्रोजन के टूटने को सफलतापूर्वक धीमा कर दिया, लेकिन क्योंकि उर्वरक सतह पर पड़ा था, इसलिए नाइट्रोजन वहां अधिक समय तक रहा जिससे वह गैस के रूप में आसानी से निकल सकता था। गेहूं के सीजन में, इस संयोजन ने अकेले कम उर्वरक की तुलना में अमोनिया के नुकसान में साठ प्रतिशत से अधिक की वृद्धि की।

हालाँकि, डीप इंजेक्शन पद्धति ने परिणाम पूरी तरह से बदल दिया। तरल उर्वरक को दस सेंटीमीटर जमीन के नीचे धकेल कर, शोधकर्ताओं ने नाइट्रोजन को प्रभावी ढंग से वहीं कैद कर दिया जहाँ पौधों की जड़ें पहुँच सकें। उन भूखंडों में जहाँ बिना अवरोधक के उर्वरक इंजेक्ट किया गया था, अमोनिया का नुकसान एक किलोग्राम प्रति हेक्टेयर से भी कम हो गया, जो कि उन नियंत्रण भूखंडों के समान था जिन्हें कोई उर्वरक नहीं दिया गया था। नाइट्रोजन बस हवा में बचने के लिए उपलब्ध नहीं था क्योंकि इसे वायुमंडल से दूर, मिट्टी में गहराई में दबा दिया गया था।

नाइट्रोजन का वायु से यह भौतिक अलगाव इस ग्रीनहाउस गैस समस्या को भी हल कर दिया। अध्ययन ने नाइट्रस ऑक्साइड और मीथेन के उत्सर्जन को मापा, जो कृषि से निकलने वाली दो मुख्य ग्रीनहाॅस गैसें हैं। पारंपरिक सतह विधि ने इन गैसों का उच्चतम स्तर पैदा किया। डीप इंजेक्शन पद्धति ने, बिना अवरोधक के भी, चावल में लगभग साठ प्रतिशत और गेहूं में तैंतालीस प्रतिशत नाइट्रस ऑक्साइड उत्सर्जन को काफी कम कर दिया। जब शोधकर्ताओं ने डीप इंजेक्शन पद्धति में जैविक अवरोधक मिलाया, तो यह कमी और भी नाटकीय थी। चावल के सीजन में, पारंपरिक विधि की तुलना में नाइट्रस ऑक्साइड उत्सर्जन में सतह से इकहत्तर प्रतिशत की गिरावट आई। गेहूं के सीजन में, यह कमी चौवन प्रतिशत थी। मीथेन उत्सर्जन, जो मुख्य रूप से बाढ़ वाले चावल के खेतों में उत्पन्न होता है, डीप इंजेक्शन और अवरोधक पद्धति का उपयोग करने पर चावल में लगभग चौंतीस प्रतिशत और गेहूं में सैंतालीस प्रतिशत कम हो गया।

इस सफलता के पीछे का तंत्र इस बात पर निर्भर है कि मिट्टी में नाइट्रोजन कैसे चलता और बदलता है। जब उर्वरक सतह पर फैलाया जाता है, तो यह ऊपरी परत में रहता है जहाँ ऑक्सीजन प्रचुर मात्रा में होती है, जिससे बैक्टीरिया इसे जल्दी से नाइट्रेट में बदल देते हैं, जो फिर नाइट्रस ऑक्साइड के रूप में निकल जाता है या बह जाता है। जब उर्वरक गहराई में इंजेक्ट किया जाता है, तो यह कम ऑक्सीजन वाले क्षेत्र में रहता है, जहाँ यह अमोनियम के रूप में बना रहता है, जो कि पौधों के लिए पसंदीदा रूप है। जैविक अवरोधक उन बैक्टीरिया की प्रक्रिया को और धीमा कर देता है जो अन्यथा इसे नाइट्रेट में बदल देते हैं। क्योंकि नाइट्रोजन मिट्टी में गहराई में रखा गया है और अमोनियम रूप में बना हुआ है, इसलिए यह उन गैसों में बदलने के लिए उपलब्ध नहीं है जो जलवायु को नुकसान पहुँचाती हैं। अध्ययन ने सीधे मिट्टी को मापकर इसकी पुष्टि की, जिससे पता चला कि अमोनियम इंजेक्शन स्थल के पास केंद्रित रहा जबकि नाइट्रेट का स्तर कम रहा।

पर्यावरणीय लाभों के अलावा, नई पद्धति ने पैदावार में सुधार किया। जैविक अवरोधक के साथ स्प्लिट डीप इंजेक्शन का उपयोग करने वाले भूखंडों ने सभी में सर्वाधिक उपज प्राप्त की। पारंपरिक विधि की तुलना में चावल की फसल में लगभग छह प्रतिशत की वृद्धि हुई और गेहूं की फसल में लगभग बीस प्रतिशत की उछाल आई। यह तब भी हासिल किया गया जब शोधकर्ताओं ने इन भूखंडों में कुल नाइट्रोजन का कम उपयोग किया। पारंपरिक विधि में चावल के लिए प्रति हेक्टेयर तीन सौ किलोग्राम नाइट्रोजन का उपयोग किया गया था, जबकि नई विधि में केवल एक सौ अस्सी किलोग्राम का उपयोग किया गया। नई विधि की दक्षता का अर्थ था कि अधिक उर्वरक हवा या मिट्टी में नष्ट होने के बजाय अनाज में पहुँचा। आर्थिक विश्लेषण ने दिखाया कि तरल उर्वरक और इसे इंजेक्ट करने के लिए आवश्यक विशेष उपकरणों की उच्च लागत के बावजूद, पर्यावरणीय क्षति में कमी और बढ़ी हुई फसल मूल्य से होने वाली बचत ने नई विधि को समग्र रूप रूप से अधिक लाभदायक बना दिया।

यह अध्ययन कृषि तकनीक के बारे में एक महत्वपूर्ण सबक उजागर करता है: समाधान का स्थान उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि स्वयं समाधान। जैविक अवरोधक, जब सतह पर उपयोग किया गया, तो इसने अमोनिया की समस्या को और खराब कर दिया। लेकिन जब उसी अवरोधक का उपयोग डीप इंजेक्शन के साथ किया गया, तो यह एक अत्यधिक प्रभावी प्रणाली का हिस्सा बन गया। डीप प्लेसमेंट ने अमोनिया को बाहर निकलने से रोका, जिससे अवरोधक को वायु प्रदूषण की दंड के बिना नाइट्रेट निर्माण को धीमा करने का अपना काम करने की अनुमति मिली। डीप इंजेक्शन और जैविक निषेध (biological inhibition) का यह संयोजन उस समझौते को तोड़ने का एक तरीका प्रदान करता है जिसने वर्षों से किसानों को परेशान किया है। यह दर्शाता है कि नाइट्रोजन प्रदूषण और ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को खाद्य उत्पादन बढ़ाकर एक साथ कम करना संभव है, बशर्ते उर्वरक सीधे वहीं पहुँचाया जाए जहाँ पौधे को उसकी आवश्यकता है। शोधकर्ता कहते हैं कि इस पद्धति को व्यापक रूप से अपनाने के लिए, बड़े पैमाने पर तरल उर्वरक इंजेक्ट करने के लिए बेहतर मशीनरी की आवश्यकता होगी, लेकिन एक स्वच्छ, अधिक उत्पादक कृषि की क्षमता अब स्पष्ट रूप से पहुंच के भीतर है।