В сотрудничестве с фермерским сообществом водораздела Индиан-Крик в центральном Иллинойсе эти исследователи находят способы одновременно достичь трех целей: максимизировать производство фермеров, выращивать сырье для биоэнергетики и защищать окружающую среду. Эти цели, как оказалось, не обязательно исключают друг друга.Все, что для этого требуется, — это многофункциональный ландшафт, в котором ресурсы распределяются эффективно, а урожай находится в идеальном положении для почвы и ландшафта. Посадка биоэнергетических культур, таких как ива или просо в ряды, где товарные культуры испытывают трудности с выращиванием, может не только обеспечить сырьем для биомассы, но и ограничить сток азотных удобрений в водные пути — и все это без ущерба для прибыли фермера.
Это то, что открыла группа аргонских ученых путем тщательного сбора данных и моделирования на кукурузном поле в Фэрбери.«Проблема, над которой мы работаем, заключается в том, как разработать устойчивые биоэнергетические системы», — сказала Кристина Негри, главный агроном и инженер-эколог компании Argonne. «Это не идеализм.
Мы хотели показать, что это выполнимо; если мы проектируем для конкретных результатов, мы увидим реальные результаты».Поэтому Негри и ее команда создали экспериментальную ферму, которая сочетает в себе приоритеты экономической целесообразности, биоэнергетики и здоровья окружающей среды.Решение этой задачи потребовало изменения точки зрения.
Вместо того, чтобы рассматривать поля целиком как единицу принятия решений о посеве, исследователи проанализировали отдельные участки кукурузного поля. Они обнаружили, что в подрайонах с самым низким урожаем также наблюдается самое низкое удержание азота.
Эти участки земли облагаются двойным налогом — они невыгодны для фермера и наносят ущерб окружающей среде.Негри объяснил, что происходит на малопродуктивной земле: «Представьте, что вы проливаете красивый, богатый питательными веществами раствор через плодородную почву с растущими на ней растениями», — сказала она. Эти питательные вещества будут задерживаться в почве достаточно долго, чтобы быть поглощенными растениями, сводя к минимуму любые утечки. «А теперь представьте, что вы выливаете этот же раствор через дуршлаг: если питательные вещества просачиваются через почву слишком быстро, они больше не доступны для растений.
Кукуруза растет меньше, и больше азота выщелачивается в грунтовые воды».Но посадка биоэнергетических культур в почву, похожую на дуршлаг, может решить обе проблемы — экологические и экономические — как показала команда Аргонна с помощью моделирования разложения денитрификации.Ива и просо являются многолетними биоэнергетическими культурами, а это означает, что их жизненный цикл длится несколько лет. У этих растений более обширная корневая система, чем у однолетних растений, которые каждый год начинают свой рост с нуля.
Более глубокие корни лучше поглощают азот, поскольку он проникает глубже в почву.Потеря азота с сельскохозяйственных земель — серьезная экологическая проблема.
Если азот не задерживается почвой или не поглощается растениями, он улетучивается в воздух или воду. Он выбрасывается в атмосферу в виде закиси азота, парникового газа, потенциал потепления которого в 310 раз превышает потенциал углекислого газа. Утечка нитратов в воду способствует истощению запасов кислорода, что вредит водным экосистемам и может привести к токсичному цветению водорослей, как это видно на озере Эри.
Кукурузное поле Фэрбери расположено в водоразделе Индиан-Крик, впадающем в реку Вермилион и, в конечном итоге, в Мексиканский залив, который в течение многих лет страдает от кислородного истощения, вызванного стоком питательных веществ.Хотя ученые могут быть инвестированы в энергетику и окружающую среду, команда признала, что фермеры — истинные агенты перемен — должны думать в первую очередь о своей экономической прибыли.«На всем поле ваша ферма может быть прибыльной, но, собирая более конкретные данные, мы можем определить участки, в которых фермер не возвращает свои инвестиции», — сказал Аргоннский исследователь, получивший докторскую степень Герберт Ссегане.Потерянные деньги происходят из-за того, что фермеры возделывают и вносят дорогие азотные удобрения на участки поля, которые просто не производят достаточно урожая.
Внесение рядов биоэнергетических культур в места с низким урожаем кукурузы означает, что фермер не жертвует значительной прибылью от пропашных культур. В качестве бонуса экономии средств глубоко укоренившиеся биоэнергетические культуры естественным образом накапливают потерянный азот в качестве бесплатного удобрения.
Ученые Аргонны посадили ивы на участке Фэрбери в 2013 году и продолжат сбор данных в течение следующего года, чтобы увидеть, насколько результаты соотносятся с их прогнозами. «Мы уже достигли 28-процентного сокращения нитратов, даже несмотря на то, что впереди еще два полных вегетационных сезона», — сказал Ссегане. Рост ивы также был хорошим, исследователи не применяли никаких удобрений.По словам Ссегане, этот проект доказывает концепцию. Он показывает фермерам, что стратегический посев биоэнергетических культур может повысить продуктивность и сэкономить деньги, одновременно демонстрируя научному сообществу, что биоэнергетика будет устойчивой, если мы подберем растениям их оптимальное положение в ландшафте.
«До этой работы популярной идеей были« выделенные поля », где можно было бы переоборудовать большую площадь из кукурузы в просо», — сказал Ссегане. «Но специализированные поля биоэнергетических культур в настоящее время неприемлемы в сельскохозяйственных условиях, где экономика привязана к зерну. Что действительно проходит тест рентабельности, так это преобразование непродуктивных субрайонов в альтернативные культуры».Многофункциональный ландшафт находит удачную и эффективную среду между выделенным биоэнергетическим полем и фермой, непрерывно выращивающей одну и ту же товарную культуру.
Ученые изучают, как эти принципы проектирования можно распространить на весь водораздел. В конечном итоге они надеются, что это исследование поможет в планировании сельского хозяйства как ученых, так и фермеров.