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

Gli agricoltori affrontano da tempo una scelta difficile nel nutrire le proprie colture. Per coltivare abbastanza cibo per un mondo in crescita, devono applicare fertilizzanti azotati, ma il modo in cui li applicano spesso crea una cascata di problemi ambientali. Quando gli agricoltori distribuiscono fertilizzante secco sulla superficie dei loro campi, una grande parte di quell'azoto sfugge nell'aria sotto forma di gas ammoniaca, contribuendo allo smog e alle piogge acide. Se cercano di risolvere il problema interrando il fertilizzante in profondità nel terreno per evitare che sfugga, spesso innescano un problema diverso: l'azoto sepolto può trasformarsi in ossido di diazoto, un potente gas serra che intrappola il calore in modo molto più efficace rispetto all'anidride carbonica. Per decenni, gli scienziati hanno faticato a trovare un metodo che fermi sia la risalita dell'ammoniaca sia la formazione di gas serra senza sacrificare la resa delle colture.

Nelle risaie e nei campi di grano della regione di Taihu, in Cina, un team di ricercatori ha testato un nuovo approccio che sembra risolvere questo dilemma. Hanno combinato due tecniche specifiche: iniettare fertilizzante liquido in profondità nel terreno in due dosi separate e aggiungere una sostanza naturale che rallenta la scomposizione chimica dell'azoto. I risultati, osservati durante due interi cicli di crescita, mostrano che questa combinazione non solo riduce le emissioni di ammoniaca e di gas serra, ma aumenta anche la quantità di granella raccolta. Lo studio suggerisce che cambiando il luogo e il modo in cui l'azoto viene consegnato alla pianta, gli agricoltori possono proteggere l'aria e il clima pur continuando a nutrire la popolazione.

L'esperimento si è svolto in una regione nota per la sua agricoltura intensiva, dove si coltiva riso in estate e grano in inverno. I ricercatori hanno allestito una serie di parcelle sperimentali per confrontare diversi modi di gestire l'azoto. Un gruppo ha ricevuto il trattamento tradizionale: urea secca distribuita sulla superficie del campo in tre applicazioni separate. Un altro gruppo ha ricevuto una quantità ridotta di questo stesso fertilizzante superficiale. Un terzo gruppo ha ricevuto la quantità ridotta, ma con l'aggiunta di un inibitore della nitrificazione biologica, una sostanza derivata dalle radici del sorgo che rallenta naturalmente la conversione dell'ammonio in nitrato. L'ultimo gruppo, che è diventato il fulcro della scoperta, ha ricevuto un fertilizzante liquido idrosolubile iniettato dieci centimetri in profondità nel terreno. Questa iniezione è avvenuta due volte: una all'inizio della stagione e una successiva, calibrata per rispondere alle esigenze di crescita della coltura. Questo gruppo di iniezione profonda è stato testato anche con e senza l'inibitore biologico.

I risultati hanno rivelato un contrasto netto tra i metodi. La tradizionale distribuzione superficiale del fertilizzante ha portato a massicce perdite di ammoniaca. Durante la stagione del riso, il trattamento superficiale ha rilasciato oltre quarantasei chilogrammi di azoto per ettaro sotto forma di gas ammoniaca. Nella stagione del grano, la perdita è stata di quasi quattordici chilogrammi per ettaro. Questa perdita non solo inquina l'aria, ma rappresenta denaro sprecato per l'agricoltore. Quando i ricercatori hanno aggiunto l'inibitore biologico al fertilizzante superficiale, il problema è peggiorato. L'inibitore ha rallentato con successo la scomposizione dell'azoto, ma poiché il fertilizzante si trovava sulla superficie, l'azoto è rimasto lì più a lungo in una forma che poteva facilmente sfuggire sotto forma di gas. Nella stagione del grano, questa combinazione ha effettivamente aumentato la perdita di ammoniaca del sessantasette per cento rispetto al solo fertilizzante ridotto.

Il metodo di iniezione profonda, tuttavia, ha cambiato completamente l'esito. Spingendo il fertilizzante liquido dieci centimetri sottoterra, i ricercatori hanno efficacementmente intrappolato l'azoto dove le radici delle piante possono raggiungerlo. Nelle parcelle in cui il fertilizzante è stato iniettato senza l'inibitore, le perdite di ammoniaca sono scese a meno di un chilogrammo per ettaro, un livello statisticamente indistinguibile dalle parcelle di controllo che non hanno ricevuto alcun fertilizzante. L'azoto non era semplicemente disponibile per sfuggire nell'aria perché era sepolto in profondità nel terreno, lontano dall'atmosfera.

Questa separazione fisica dell'azoto dall'aria ha risolto anche il problema dei gas serra. Lo studio ha misurato le emissioni di ossido di diazoto e metano, i due principali gas serra derivanti dall'agricoltura. Il metodo superficiale tradizionale ha prodotto i livelli più elevati di questi gas. Il metodo di iniezione profonda, anche senza l'inibitore, ha ridotto significativamente le emissioni di ossido di diazoto di quasi il sessanta per cento nel riso e del quarantatré per cento nel grano. Quando i ricercatori hanno aggiunto l'inibitore biologico al metodo di iniezione profonda, la riduzione è stata ancora più drammatica. Nella stagione del riso, le emissioni di ossido di diazoto sono diminuite del settantuno per cento rispetto al metodo tradizionale. Nella stagione del grano, la riduzione è stata del cinquantaquattro per cento. Le emissioni di metano, che vengono prodotte principalmente nei campi di riso allagati, sono inoltre diminuite di circa il trentaquattro per cento nel riso e del quarantasette per cento nel grano utilizzando il metodo combinato di iniezione profonda e inibitore.

Il meccanismo dietro questo successo risiede nel modo in cui l'azoto si muove e cambia nel terreno. Quando il fertilizzante è sparso sulla superficie, si posiziona nello strato superiore dove l'ossigeno è abbondante, permettendo ai batteri di convertirlo rapidamente in nitrato, che poi sfugge come ossido di diazoto o viene lavato via. Quando il fertilizzante viene iniettato in profondità, rimane in una zona con meno ossigeno, dove resta come ammonio, una forma che le piante preferiscono. L'inibitore biologico rallenta ulteriormente i batteri che altrimenti trasformerebbero questo ammonio in nitrato. Poiché l'azoto è trattenuto in profondità nel terreno e mantenuto nella forma di ammonio, non è disponibile per essere convertito nei gas che danneggiano il clima. Lo studio ha confermato ciò misurando direttamente il suolo, mostrando che l'ammonio rimaneva concentrato vicino al sito di iniezione mentre i livelli di nitrato rimanevano bassi.

Oltre ai benefici ambientali, il nuovo metodo ha migliorato il raccolto. Le parcelle che utilizzavano l'iniezione profonda frazionata con l'inibitore biologico hanno prodotto le rese più elevate di tutti. Il raccolto di riso è aumentato di quasi il sei per cento rispetto al metodo tradizionale, mentre quello del grano è balzato di quasi il venti per cento. Ciò è stato ottenuto nonostante i ricercatori abbiano applicato meno azoto totale in queste parcelle. Il metodo tradizionale utilizzava trecento chilogrammi di azoto per ettaro per il riso, mentre il nuovo metodo ne utilizzava solo centottanta. L'efficienza del nuovo metodo ha significato che una parte maggiore del fertilizzante finiva nel chicco piuttosto che essere persa nell'aria o nel suolo. L'analisi economica ha dimostrato che, nonostante il costo più elevato del fertilizzante liquido e delle attrezzature specializzate necessarie per iniettarlo, il risparmio derivante dalla riduzione del danno ambientale e dall'aumento del valore dei raccolti ha reso il nuovo metodo complessivamente più redditizio.

Lo studio evidenzia una lezione critica sull'impatto della tecnologia agricola: il posizionamento di una soluzione conta tanto quanto la soluzione stessa. L'inibitore biologico, quando usato in superficie, ha peggiorato il problema dell'ammoniaca. Ma quando lo stesso inibitore è stato utilizzato con l'iniezione profonda, è diventato parte di un sistema altamente efficace. Il posizionamento profondo ha impedito all'ammoniaca di sfuggire, permettendo all'inibitore di svolgere il suo compito di rallentare la formazione di nitrati senza la penalità dell'aumento dell'inquinamento atmosferico. Questa combinazione di iniezione profonda e inibizione biologica offre un modo per rompere il compromesso che ha tormentato gli agricoltori per anni. Dimostra che è possibile ridurre simultaneamente l'inquinamento da azoto e le emissioni di gas serra aumentando al contempo la produzione alimentare, a patto che il fertilizzante venga consegnato direttamente dove la pianta ne ha bisogno. I ricercatori sottolineano che, affinché questo metodo diventi diffuso, sarà necessaria una migliore strumentazione per iniettare il fertilizzante liquido su larga scala, ma il potenziale per un'agricoltura più pulita e produttiva è ora chiaramente a portata di mano.