Rolnictwo i nawozy: jak praktyki ekologiczne mogą coś zmienić

Młody rolnik rozprowadza nawóz na  uprawach w Etiopii (Edwin Remsberg/VWPics/Universal Images Group via Getty Images)

Rolnictwo wiąże się z trudną równowagą między produkcją żywności a wpływem na środowisko. Na przykład nawozy mogą pomóc w osiągnięciu dobrych plonów, ale ich nadmierne użycie powoduje emisje gazów cieplarnianych i zanieczyszczenie.

Niektóre z tych oddziaływań zagrażają również przyszłej produkcji rolnej. Na przykład emisje gazów cieplarnianych przyczyniają się do zmiany klimatu i zwiększają prawdopodobieństwo ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Aby utrzymać rolnictwo, konieczne jest zatem zminimalizowanie zużycia środków, takich jak nawozy, oraz wspieranie wzrostu upraw w inny sposób. Jednym z podejść jest zwiększenie ekologicznego funkcjonowania w gospodarstwach. Oznacza to wzmocnienie relacji między różnymi organizmami w gospodarstwie, w tym roślinami uprawnymi, żywym inwentarzem, drobnoustrojami oraz dzikimi roślinami i zwierzętami. Wykorzystywanie tych zależności do wspierania plonów nazywa się „intensyfikacją ekologiczną”.

Wcześniejsze badania wykazały, że intensyfikacja ekologiczna może być skuteczna. Jednak badania przeprowadzono tylko w krótkich, kilkuletnich ramach czasowych, podczas gdy skutki praktyk rolniczych często stają się jasne. Zmienność pogody na przestrzeni lat może przesłonić efekty w krótkim okresie, a stabilizacja niektórych procesów ekologicznych trwa kilka lat.

W niedawnym badaniu wraz z kolegami zbadaliśmy, czy badania długoterminowe wspierają również intensyfikację ekologiczną. Aby odpowiedzieć na to pytanie, szukaliśmy 30 długoterminowych eksperymentów z całej Europy i Afryki. Wykorzystaliśmy te eksperymenty, aby sprawdzić, czy intensyfikacja ekologiczna może zmniejszyć zapotrzebowanie na dwa środki: nawóz azotowy i uprawę.

Odkryliśmy, że intensyfikacja ekologiczna może częściowo zastąpić nawozy, aby wspierać plony, ponieważ zarówno intensyfikacja ekologiczna, jak i nawozy zwiększają składniki odżywcze gleby. Tak więc rolnicy mogliby zastosować intensyfikację ekologiczną, aby zmniejszyć zużycie nawozów przy zachowaniu tych samych plonów. Rolnicy, którzy już stosowali niski poziom nawozu lub nie stosowali go wcale, mogli zwiększyć swoje plony.

Intensyfikacja ekologiczna może również zwiększyć plony, niezależnie od tego, czy rolnicy orali, czy stosowali uprawę bezorkową. Wynikało to z faktu, że uprawa i testowane przez nas praktyki ekologiczne pełniły różne funkcje i w różny sposób przyczyniały się do plonów.

Ogólnie rzecz biorąc, intensyfikacja ekologiczna może pomóc zrównoważyć produkcję żywności i wpływ na środowisko poprzez zmniejszenie wysokiego zużycia nawozów bez zmniejszania plonów. I może uzupełniać niskie nakłady, aby zwiększyć plony w biednych, odległych społecznościach, gdzie środki są drogie lub trudno dostępne.

Co zmierzyliśmy

Wybraliśmy eksperymenty, które trwały od 10 lat lub dłużej. Dokonaliśmy wyjątku, aby uwzględnić dwa dziewięcioletnie eksperymenty, aby zwiększyć reprezentację praktyk drobnego rolnictwa w naszym zbiorze danych.

30 eksperymentów w naszym badaniu przetestowało różne praktyki w różnych klimatach, typach gleby i systemach rolniczych. Szukaliśmy wspólnych trendów w eksperymentach. W szczególności chcieliśmy dowiedzieć się, jak wzajemnie na siebie oddziałują praktyki ekologiczne i wykorzystanie wkładu. Czy lepiej było połączyć wiele ekologicznych praktyk i nakładów, czy też były one najskuteczniejsze, gdy były stosowane niezależnie?

W naszym zbiorze danych znajdowały się trzy klasy praktyk ekologicznych i dwa rodzaje danych wejściowych testowanych wystarczająco często, aby uwzględnić je w naszej analizie.

Ekologiczne praktyki to:

• dywersyfikacja upraw – płodozmian lub sadzenie różnych upraw blisko siebie
• w tym uprawy płodne, takie jak rośliny pastewne lub okrywowe, zamiast podstawowych upraw spożywczych
• zarządzanie materią organiczną – np. używanie kompostu lub obornika do nawożenia upraw i zatrzymywanie resztek pożniwnych na polu w celu obiegu składników odżywczych.

Intensyfikacja ekologiczna pociąga za sobą wymianę lub zwiększenie nakładów. Porównaliśmy więc wpływ na plony zwiększenia trzech praktyk ekologicznych ze skutkami zmniejszenia dwóch nakładów: syntetycznego nawozu azotowego i intensywności uprawy. Nawóz dostarcza azot, którego rośliny potrzebują do wzrostu, ale może również powodować zanieczyszczenie. Intensywna uprawa (orka) usuwa chwasty, ale może zwiększyć erozję gleby.

Co odkryliśmy

Nasze wyniki wykazały, że praktyki ekologiczne zwykle zwiększają plony po dodaniu do systemu rolniczego. Jednak korzyści z dywersyfikacji upraw, płodności upraw i dodawania materii organicznej były zazwyczaj wysokie, gdy stosowanie syntetycznych nawozów azotowych było niskie. Często nie było korzyści, gdy stosowanie nawozów azotowych było wysokie.

To pokazało nam, że do zwiększenia plonów można zastosować praktykę ekologiczną lub nawóz azotowy. Ale jeśli użyjesz obu razem, efekt będzie taki sam, jak użycie jednego z nich.

Wywnioskowaliśmy, że dzieje się tak, ponieważ praktyki i nawóz pełnią tę samą główną funkcję: dostarczają roślinom azot. Dywersyfikacja upraw i płodność upraw często wiąże się z dodawaniem do systemu roślin strączkowych. Rośliny takie jak fasola, groch i koniczyna wiążą azot atmosferyczny i dodają go do gleby. Nawozy i komposty uwalniają azot z rozkładającego się materiału roślinnego lub odpadów zwierzęcych.

Czasami obserwowaliśmy niewielkie dodatkowe korzyści wynikające ze stosowania praktyki ekologicznej wraz z wysokim azotem. Na przykład dodanie obornika i kompostu nadal zwiększało plony, gdy azot był wysoki. Inne badania wykazały, że te dodatki materii organicznej pomagają poprawić strukturę gleby i aktywność mikrobiologiczną. Mogą również przyczynić się do retencji wody w glebie i obiegu innych składników odżywczych.

Stosowanie dwóch praktyk ekologicznych razem było generalnie korzystne, ponieważ każda z nich pełni inne funkcje.

Podobnie stosowanie praktyk ekologicznych wraz z nakładami może zwiększyć plony, gdy ich funkcje się nie pokrywają. Można to osiągnąć, na przykład, stosując nawóz w niewielkich ilościach, aby uzupełnić składniki odżywcze dostarczane przez praktyki ekologiczne.

Odkryliśmy również, że dywersyfikacja z roślinami innymi niż strączkowe w warunkach wysokiego azotu przyniosła korzyści w zakresie plonów. Jest to prawdopodobnie spowodowane przerwaniem cykli chwastów, szkodników i chorób.

W naszych badaniach uprawa roli nie oddziaływała silnie na praktyki ekologiczne, co sugeruje, że każda z nich pełniła inne funkcje. Oznacza to, że rolnicy mogą dostosować swoje praktyki uprawowe do środowiska niezależnie od decyzji o stosowaniu dywersyfikacji, żyzności upraw i materii organicznej.

Efekt netto

Intensyfikacja ekologiczna może być sposobem na bardziej sprawiedliwą dystrybucję nawozów, aby poprawić globalne bezpieczeństwo żywnościowe przy jednoczesnym zminimalizowaniu wpływu na środowisko. Obecnie średnie dawki nawozów w Afryce to niewielki ułamek tych w Europie. Zwłaszcza drobni rolnicy zużywają znacznie mniej niż ich sprawiedliwy udział. Zbyt dużo nawozu ma wpływ na środowisko, ale zbyt mało nawozu utrudnia produkcję wystarczającej ilości żywności.

Inne badania sugerują, że jeśli zużycie nawozów zostanie ograniczone tam, gdzie jest obecnie wysokie (np. duże gospodarstwa komercyjne w krajach rozwiniętych), można zwiększyć zużycie nawozów tam, gdzie jest obecnie bardzo niskie (drobni rolnicy w krajach rozwijających się), bez przeciążania globalnych ekosystemów z zanieczyszczeniem azotem.

Nasze badanie pokazuje, jak intensyfikacja ekologiczna może pomóc w osiągnięciu tego celu.