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

Boeren worden al lang geconfronteerd met een moeilijke keuze bij het voeden van hun gewassen. Om genoeg voedsel te verbouwen voor een groeiende wereld, moeten ze stikstofmeststoffen toepassen, maar de manier waarop ze die toepassen, creëert vaak een cascade aan milieuproblemen. Wanneer boeren droge meststoffen op het oppervlak van hun velden verspreiden, ontsnapt een groot deel van die stikstof naar de lucht als ammoniakgas, wat bijdraagt aan smog en zure regen. Als ze dit proberen te herstellen door de meststof diep in de bodem te begraven om te voorkomen dat het ontsnapt, veroorzaken ze vaak een ander probleem: de begraven stikstof kan transformeren in lachgas, een krachtig broeikasgas dat warmte veel effectiever vasthoudt dan koolstofdioxide. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd een methode te vinden die zowel de ammoniak die opstijgt als de vorming van broeikasgassen stopt zonder de oogstopbrengst op te offeren.

In de rijst-tarwevelden van de Chinese Taihu-regio heeft een team onderzoekers een nieuwe aanpak getest die lijkt te voorzien in de oplossing voor dit dilemma. Ze combineerden twee specifieke technieken: het injecteren van vloeibare meststof diep in de bodem in twee afzonderlijke doses, en het toevoegen van een natuurlijke stof die de chemische afbraak van stikstof vertraagt. De resultaten, waargenomen over twee volledige groeicycli, laten zien dat deze combinatie niet alleen de emissies van ammoniak en broeikasgassen vermindert, maar ook de hoeveelheid geoogste graan verhoogt. De studie suggereert dat door te veranderen in waar en hoe stikstof aan de plant wordt geleverd, boeren zowel de lucht als het klimaat kunnen beschermen als de bevolking kunnen voeden.

Het experiment vond plaats in een regio die bekend staat om intensieve landbouw, waar in de zomer rijst wordt verbouwd en in de winter tarwe. De onderzoekers zetten een reeks testpercelen op om verschillende manieren van stikstofbeheer te vergelijken. Eén groep kreeg de traditionele behandeling: droge ureummeststof die in drie afzonderlijke toepassingen over het oppervlak van het veld werd verspreid. Een andere groep kreeg een verminderde hoeveelheid van dezezelfde oppervlaktemeststof. Een derde groep kreeg de verminderde hoeveelheid, maar met een toegevoegde biologische nitrificatieremmer, een stof afgeleid van sorghumwortels die de omzetting van ammonium in nitraat op natuurlijke wijze vertraagt. De laatste groep, die het middelpunt van de doorbraak werd, kreeg een wateroplosbare vloeibare meststof die tien centimeter diep in de bodem werd geïnjecteerd. Deze injectie gebeurde tweemaal: één keer aan het begin van het seizoen en opnieuw later, afgestemd op de groeibehoeften van het gewas. Deze diepe injectiegroep werd ook getest met en zonder de biologische remmer.

De resultaten toonden een scherp contrast tussen de methoden. De traditionele oppervlakteverspreiding van meststof leidde tot enorme verliezen van ammoniak. Tijdens het rijstseizoen bracht de oppervlaktebehandeling meer dan zesenveertig kilogram stikstof per hectare vrij als ammoniakgas. In het tarwe seizoen was het verlies bijna veertien kilogram per hectare. Dit verlies vervuilt niet alleen de lucht, maar vertegenwoordigt ook verspild geld voor de boer. Wanneer de onderzoekers de biologische remmer aan de oppervlaktemeststof toevoegden, werd het probleem erger. De remmer vertraagde succesvol de afbraak van stikstof, maar omdat de meststof op het oppervlak lag, bleef de stikstof daar langer aanwezig in een vorm die gemakkelijk als gas kon ontsnappen. In het tarwe seizoen verhoogde deze combinatie het ammoniakverlies zelfs met zestig zeven procent vergeleken met de verminderde hoeveelheid meststof alleen.

De diepe injectiemethode veranderde de uitkomst echter volledig. Door de vloeibare meststof tien centimeter onder de grond te duwen, hielden de onderzoekers de stikstof effectief vast waar de wortels van de plant erbij konden. In de percelen waar de meststof werd geïnjecteerd zonder de remmer, daalden de ammoniakverliezen tot minder dan één kilogram per hectare, een niveau dat statistisch niet te onderscheiden was van de controlegeplots die helemaal geen meststof ontvingen. De stikstof was simpelweg niet beschikbaar om in de lucht te ontsnappen omdat het diep in de bodem begraven was, ver weg van de atmosfeer.

Deze fysieke scheiding van de stikstof van de lucht loste ook het broeikasgasprobleem op. De studie mat de emissies van lachgas en methaan, de twee belangrijkste broeikasgassen uit de landbouw. De traditionele oppervlaktemethode produceerde de hoogste niveaus van deze gassen. De diepe injectiemethode verminderde, zelfs zonder de remmer, de lachgasemissies met bijna zestig procent in rijst en drieënveertig procent in tarwe. Wanneer de onderzoekers de biologische remmer aan de diepe injectiemethode toevoegden, was de reductie nog dramatischer. In het rijstseizoen daalden de lachgasemissies met een zeventig één procent vergeleken met de traditionele methode. In het tarwe seizoen was de reductie vijftenvijftig vier procent. De methaanemissies, die voornamelijk worden geproduceerd in de onder water gezet rijstvelden, daalden ook met ongeveer vierendertig procent in rijst en zevenenveertig procent in tarwe wanneer de gecombineerde diepe injectie en de remmer werden gebruikt.

Het mechanisme achter dit succes ligt in de manier waarop de stikstof beweegt en verandert in de bodem. Wanneer meststof aan het oppervlak wordt verspreid, ligt het in de bovenste laag waar veel zuurstof aanwezig is, waardoor bacteriën het snel kunnen omzetten in nitraat, dat vervolgens ontsnapt als lachgas of wegspoelt. Wanneer meststof diep wordt geïnjecteerd, blijft het in een zone met minder zuurstof, waar het als ammonium blijft, een vorm waar planten de voorkeur aan geven. De biologische remmer vertraagt verder de bacteriën die ammonium anders zouden omzetten in nitraat. Omdat de stikstof diep in de bodem wordt vastgehouden en in de ammoniumvorm blijft, is het niet beschikbaar om te worden omgezet in de gassen die het klimaat schaden. De studie bevestigde dit door de bodem direct te meten, waarbij werd aangetoond dat het ammonium geconcentreerd bleef nabij de injectieplaats terwijl de nitraatniveaus laag bleven.

Naast de milieuvoordelen verbeterde de nieuwe methode ook de oogst. De percelen die gebruik maakten van gesplitste diepe injectie met de biologische remmer produceerden de hoogste opbrengsten van allemaal. De rijstoorst was bijna zes procent hoger vergeleken met de traditionele methode, en de tarweoogst sprong met bijna twintig procent omhoog. Dit werd bereikt, zelfs terwijl de onderzoekers minder totale stikstof aan deze percelen toevoegden. De traditionele methode gebruikte driehonderd kilogram stikstof per hectare voor rijst, terwijl de nieuwe methode slechts honderdvijftien kilogram gebruikte. De efficiëntie van de nieuwe methode betekende dat meer van de meststof in het graan terechtkwam in plaats van verloren te gaan aan de lucht of de bodem. De economische analyse toonde aan dat, ondanks de hogere kosten van de vloeibare meststof en de gespecialiseerde apparatuur die nodig is om deze te injecteren, de besparingen door verminderde milieuschade en de verhoogde waarde van de gewassen de nieuwe methode in zijn geheel winstgevender maakten.

De studie benadrukt een cruciale les over landbouwtechnologie: de plaatsing van een oplossing is even belangrijk als de oplossing zelf. De biologische remmer maakte, wanneer deze aan het oppervlak werd gebruikt, het ammoniakprobleem erger. Maar wanneer dezelfde remmer werd gebruikt met diepe injectie, werd het onderdeel van een zeer effectief systeem. De diepe plaatsing voorkwam dat de ammoniak ontsnapte, waardoor de remmer haar werk kon doen van het vertragen van de nitraatvorming zonder de straf van verhoogde luchtvervuiling. Deze combinatie van diepe injectie en biologische inhibitie biedt een manier om de afruil te doorbreken die boeren al jarenlang teisteren. Het demonstreert dat het mogelijk is om stikstofvervuiling en broeikasgasemissies tegelijkertijd te verminderen terwijl de voedselproductie wordt verhoogd, mits de meststof direct wordt geleverd waar de plant het nodig heeft. De onderzoekers merken op dat voor deze methode op grote schaal breder gebruik te maken, betere machines voor het injecteren van vloeibare meststof nodig zullen zijn, maar het potentieel voor een schonere en productievere landbouw is nu duidelijk binnen handbereik.