N-Game critico e complesso dell'agricoltura

I critici dell'agricoltura moderna spesso citano la sua dipendenza dai "fertilizzanti azotati sintetici". Indicano l'impronta di carbonio del gas naturale utilizzato per produrlo e il fatto che l'azoto proveniente dalle fattorie può finire come inquinante dell'acqua o dell'aria. Inoltre c'è il problema che in determinate circostanze una frazione dell'azoto applicato dall'azienda agricola può essere emessa dal suolo come potente gas serra – ossido nitroso. Mentre questi problemi sono reali, la soluzione non è evitare in qualche modo di utilizzare questo fertilizzante o fissare arbitrariamente limiti alle quantità che gli agricoltori possono utilizzare per coltivare i loro raccolti. Sfortunatamente ci sono molti approcci sbagliati di questo tipo che vengono perseguiti. Un avvertimento viene dalla nazione dello Sri Lanka che ha recentemente vietato l'importazione di fertilizzanti nel tentativo di diventare la prima regione di produzione biologica al 100%. Quella scelta ha paralizzato la loro fornitura di cibo e la loro importante industria di esportazione del tè. Il Canada ha recentemente mandato riduzione dei fertilizzanti azotati per i suoi agricoltori senza legarla a una misura razionale come kg di fertilizzante per tonnellata di prodotto. L'India sta promuovendo "agricoltura naturale a budget zero che potrebbe minare l'indipendenza alimentare di cui la nazione ha goduto dalla "rivoluzione verde". L'Unione Europea sta promuovendo l'agricoltura biologica che esclude i "fertilizzanti sintetici" come parte del suo controverso Strategia Farm to Fork. In effetti, il biologico viene spesso promosso come soluzione ai problemi dei fertilizzanti senza riconoscere che la produzione di colture organiche è in realtà piuttosto dipendente dall'azoto "sintetico" che è finito nel letame degli animali allevati in modo convenzionale. Come dice un esperto in materia, “seguire l'azoto.” E solo per essere chiari, il fertilizzante azotato prodotto dall'uomo inizia come ammoniaca che è una forma naturale di quell'elemento e non qualcosa di artificiale come potrebbe implicare il termine "sintetico".

Ottenere la fecondazione "giusta"

Nella classica fiaba Riccioli d'oro vuole il suo porridge "non troppo caldo, non troppo freddo, ma giusto". La sfida per gli agricoltori è applicare l'azoto in un modo che non rappresenti né troppo né troppo poco, ma ciò che è "giusto" per una crescita ottimale delle colture. I fertilizzanti sono uno dei costi operativi più significativi della coltivazione di un raccolto, quindi i coltivatori non hanno alcun incentivo ad applicare una domanda eccessiva. Ma al contrario, se un raccolto è a corto di nutrienti durante le fasi chiave della crescita, il reddito dell'agricoltore basato sulla resa sarà compromesso. Pertanto, l'obiettivo di lunga data per una fertilizzazione ottimale è stato espresso come "Le 4-R" -

1. la giusta quantità

2. nella forma corretta

3. nel posto giusto

4. al momento giusto

Questa è una sfida non banale a causa delle limitazioni logistiche e dei capricci del tempo, ma l'economia di base guida un uso attento.

Perché l'agricoltura deve "alzarsi è N-game"

Ora ci sono due fattori "che cambiano le regole del gioco" che guidano una maggiore attenzione sui problemi dei fertilizzanti azotati: la guerra in Ucraina e il cambiamento climatico. La guerra ha portato a drammatico aumento dei prezzi dei fertilizzanti e ha evidenziato l'opportunità di passare all'approvvigionamento domestico. La preoccupazione razionale per il cambiamento climatico sta puntando i riflettori sull'impronta di gas serra degli attuali metodi di produzione di fertilizzanti azotati, nonché sulle emissioni di protossido di azoto dai campi.

Di fronte a queste crescenti preoccupazioni, il settore agricolo è chiamato a "fare il suo N-game". La sfida è soddisfare la crescente domanda di cibo, mangimi, fibre, combustibili e altri biomateriali senza guidare il cambiamento nell'uso del suolo e senza esacerbare i problemi legati all'azoto. Fortunatamente, la tendenza degli ultimi tre decenni è incoraggiante. Si consideri l'esempio degli "I stati" che rappresentano circa un terzo della produzione di mais da granella degli Stati Uniti. Come mostrato nei grafici seguenti, la resa nel 2021 è stata del 35-51% superiore rispetto all'inizio degli anni '1990, ma l'uso di azoto è aumentato solo tra l'8 e il 18%. Pertanto "l'efficienza nell'uso dell'azoto" in quegli stati (espressa come staia prodotti per libbra di azoto applicata) è aumentata del 29-35%.

Ciò significa che l'uso dell'azoto per il mais in questi tre stati nel 2021 era inferiore di 1.73 miliardi di libbre rispetto a se fosse stato utilizzato alle velocità dei primi anni '1990. Tale beneficio è mostrato di seguito per ogni anno in cui sono stati rilevati i dati dell'indagine.

Gli agricoltori utilizzano molte pratiche e tecnologie diverse per ottimizzare l'uso dell'azoto e di altri fertilizzanti. Di seguito è riportato un elenco di tattiche di n-game esistenti ed emergenti. Alcuni sono ben consolidati ma potrebbero essere più ampiamente impiegati. Quelli sono evidenziati con il simbolo (>>>). Altri relativamente nuovi, ma che potrebbero dare un contributo significativo sono evidenziati con il simbolo (+++). Quelli che sono in fase di ricerca sono indicati dal simbolo (***).

Recupero dei nutrienti

Quando gli animali (compreso l'uomo) digeriscono il loro cibo non riescono ad assorbire tutti i nutrienti in esso contenuti. Ecco perché il letame è sempre stato utilizzato come fertilizzante come continua ad essere oggi. Il letame nelle sue varie forme (anche dopo il compostaggio) non è un fertilizzante ideale in quanto richiede l'applicazione di tonnellate per acro e non è suscettibile di alcune pratiche agricole desiderabili come l'agricoltura no-till o l'applicazione di precisione (descritta di seguito). Comunque, una nuova tecnologia chiamato Varcor Processor (+++) è oggi disponibile per svolgere un lavoro molto migliore nel recuperare i nutrienti del fertilizzante dal letame in forme altamente utilizzabili. C'è anche interesse nella creazione di meccanismi per riciclare l'urina umana (***) come fertilizzante ricco sia di azoto che di fosforo. Tuttavia, poiché né gli animali né gli esseri umani producono effettivamente fertilizzanti azotati, queste sono potenziali fonti limitate.

Fecondazione di precisione

I terreni dei campi agricoli non sono uniformi in quanto hanno un potenziale di resa diverso in diverse zone. Oggigiorno è comune che le macchine agricole siano dotate di GPS o altre tecnologie di georeferenziazione per effettuare la "sterzatura automatica" e generare informazioni come una mappa della resa. Per evitare di sprecare soldi in fertilizzanti in eccesso, l'agricoltore può usare "fecondazione a tasso variabile” (>>>) abbattendo più o meno in ogni singola zona in base al suo potenziale di crescita. I tassi di applicazione possono anche essere guidati dalle varie tecnologie di imaging che utilizzano "analisi iperspettrale" (>>>) per visualizzare lo stato dei nutrienti della coltura in crescita e per regolare le dosi di fertilizzante in base a quella zona ancora più precisa. Per le colture irrigate è possibile collegare molto strettamente l'apporto di azoto e altri nutrienti a ciò di cui le piante hanno bisogno in un dato momento della stagione di crescita, "imboccare" (>>>)- erogandolo attraverso linee gocciolanti o altri sistemi di irrigazione a livelli che corrispondono strettamente a ciò che le piante assorbiranno rapidamente con le loro radici in ogni momento della stagione. Nell'agricoltura non irrigua quel livello di controllo non è possibile, ma il fertilizzante può essere applicato in poche “applicazioni frazionate” (>>>) per soddisfare più da vicino le esigenze delle piante. Un'altra opzione è una "formulazione a rilascio controllato" (>>>) del fertilizzante in cui un rivestimento polimerico rallenta la velocità con cui i nutrienti si spostano nel terreno.

Prevenire la perdita di azoto

Dopo che un fertilizzante azotato è stato applicato in un campo, può passare del tempo prima che venga assorbito dalla coltura in crescita e, nel frattempo, può essere convertito in forme che gli consentano di muoversi nell'aria o nell'acqua in modo che non sia disponibile più a lungo per la coltura e può causare problemi nell'ambiente. Esistono diverse tecnologie che agiscono come “Inibitori della perdita di azoto.” Per esempio urea è una forma molto pratica di azoto da utilizzare come fertilizzante, _ma nel suolo sono presenti enzimi detti ureasi che lo convertono in ammoniaca (NH₄) che è volatile tanto che si allontana nell'atmosfera per poi essere dilavato in seguito e causare una forma di inquinamento dell'acqua noto come "eutrofizzazione.” Esistono prodotti chiamati “inibitori dell'ureasi” (>>>) che impediscono quella forma potenzialmente importante di perdita di azoto. Quando l'azoto fertilizzante è nella forma di ammonio caricato positivamente (NH₄+) è in una forma disponibile ma non mobile. Nel terreno sono presenti microbi che convertono l'ammonio in nitrato (NO₃-) che è molto mobile in acqua in modo da poter lisciviare nelle falde acquifere o essere lavato in ruscelli. Se il terreno è impregnato d'acqua o compattato in modo tale da non avere aria disponibile, il nitrato può anche essere perso nella coltura se viene "denitrificato" significa che viene convertito in N₂ gas che ritorna nell'aria come gas innocuo. Sfortunatamente, in quel processo si trasforma in parte dell'azoto ossido nitroso (N₂O) che è un gas serra estremamente potente. Esistono prodotti chiamati "inibitori della nitrificazione" (>>>) che riducono la perdita di azoto ei problemi di inquinamento. La tecnologia di guida automatica basata su GPS consente inoltre al coltivatore di utilizzare il "traffico di ruote controllato" (>>>) in modo che solo una piccola percentuale del campo venga mai compattata dalle ruote di attrezzature pesanti. Se non viene applicato fertilizzante azotato a quei potenziali cingoli delle ruote di compattazione del suolo, il rischio di emissioni di protossido di azoto è notevolmente ridotto.

Utilizzo di azoto "verde".

Nel primo 20^thsecolo, gli scienziati tedeschi Fritz Haber e Karl Bosch inventarono il processo attraverso il quale l'azoto gassoso inerte che costituisce il 78% dell'atmosfera poteva essere convertito in ammoniaca e da convertire in altre forme che possono fertilizzare le piante. Fino a quel momento il mondo era stato prelevato dall'azoto da fonti naturali, inclusa l'estrazione di giacimenti di guano di uccelli. L'idrogeno è necessario anche per quella reazione e il gas naturale (CH₄) è sempre stato utilizzato nel processo Haber-Bosch perché era la fonte più economica. L'idrogeno può anche essere prodotto dall'acqua utilizzando l'elettricità generata dal vento o dal sole e ora sono disponibili tecnologie produrre un'impronta di carbonio molto più bassa di azoto (+++) e stanno diventando più competitivi in ​​termini di costi. Un altro vantaggio dell'utilizzo dell'energia rinnovabile per generare fertilizzanti azotati è che può aiutare a ridurre la dipendenza dalle importazioni.

Fissatori di azoto

Il termine "fissatore" ha alcune connotazioni negative, ma in natura ci sono alcuni batteri benefici che possono "fissare" l'azoto, il che significa che hanno una capacità unica di prendere parte del gas N2 quasi inerte che costituisce il 78% dell'atmosfera e convertirlo in ammoniaca (NH₄) che costituisce il punto di partenza per tutte le forme biologicamente importanti di tale elemento. Esiste una famiglia di piante conosciute come leguminose che hanno una relazione speciale con una di queste specie batteriche chiamate Rhizobium. La pianta fornisce al microbo gli zuccheri che poi forniscono la notevole quantità di energia necessaria per quel processo. Le piante inoltre “ospitano” questi batteri in strutture specializzate lungo le loro radici dette “noduli” che creano un ambiente a bassissimo ossigeno, importante anche per il processo di fissazione. Diverse colture di leguminose maggiori e minori hanno questa capacità e richiedono poco o nessun fertilizzante azotato (soia, fagioli commestibili secchi, piselli, arachidi, lenticchie, ceci, erba medica...). Quando i legumi fanno parte della rotazione colturale (>>>) lasciano una discreta quantità di azoto per la successiva coltura non leguminosa (es. mais, frumento, colza…). Ci sono anche leguminose che possono essere utilizzate come colture di copertura (>>>) tra le stagioni per aumentare l'apporto di azoto nel suolo.

C'è stato un interesse a lungo termine nel trovare modi per consentire alle colture non leguminose di beneficiare anche dei batteri che fissano l'azoto. Esistono diversi batteri che abitano il suolo che sono in grado di fissare l'azoto e alcuni crescono sulle radici o persino sulle foglie delle piante. Tuttavia, quando nel terreno sono presenti fertilizzanti azotati, questi batteri non attivano le proprie capacità di fissazione ad alta intensità energetica poiché possono semplicemente utilizzare ciò che è disponibile. Una strategia è stata quella di sviluppare nuovi ceppi batterici che manterranno in funzione le loro capacità di fissaggio identificando i mutanti o, più recentemente, utilizzando la tecnologia di editing genetico. Sono stati commercializzati due di questi prodotti (+++), uno sviluppato da Tecnologie azotiche chiamato Envita™ e uno da Biografia pivot chiamato PROVEN® 40. Questi batteri possono fornire circa un quarto dell'azoto necessario per un raccolto come il mais. Su larga scala, ciò potrebbe rappresentare una vera riduzione dell'energia richiesta per produrre fertilizzanti.

C'è anche una ricerca promettente che cerca modi per modificare le colture di cereali (***) in modo che facilitino la produzione di azoto da parte delle specie batteriche che crescono sulle loro radici. Scienziati di Oxford, Sainsbury Laboratory, North Dakota State University e MIT hanno sviluppato linee di orzo modificate per produrre un composto segnale chiamato rizopina che induce un batterio associato (***) chiamato Azorhizobium caulinodans per fissare l'azoto. Quindi lo accoppiano con una versione modificata di quel batterio che fisserà l'azoto solo quando associato alle linee di coltura modificate, cosa che lo farà solo se associato alla linea di coltura desiderata. I ricercatori dell'Università della California Davis stanno lavorando con composti di segnalazione del riso che influenzano i batteri che fissano l'azoto nei biofilm sulle loro radici (***).

I fertilizzanti azotati saranno sempre un input critico per la produzione agricola, ma con un'impronta di carbonio significativa. Il settore agricolo è sulla buona strada per affrontare questi problemi attraverso guadagni in termini di efficienza d'uso, mezzi di produzione alternativi e potenziali scoperte per una fissazione biologica ampliata. Questi percorsi sono di gran lunga migliori per l'umanità rispetto alle restrizioni che comprometterebbero la produttività e guiderebbero il cambiamento dell'uso del suolo per colmare il deficit.