Azoto naudojimo kietuosiuose kviečiuose optimizavimas naudojant NNI ir NDVI žemėlapiais pagrįstas strategijas

Kietieji kviečiai, Viduržemio jūros regiono žemės ūkio kertinis akmuo ir pasauliniu mastu itin svarbus makaronų gamybos pasėlis, susiduria su neatidėliotinu iššūkiu: netvariu azoto (N) trąšų naudojimu.

Nors azotas yra būtinas norint padidinti derlių, jo per didelis naudojimas turi rimtų pasekmių aplinkai, įskaitant gruntinio vandens užterštumą, šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą ir dirvožemio degradaciją.

Asčiane (Italija) atliktas ir „European Journal of Agronomy“ paskelbtas novatoriškas ketverių metų tyrimas (2018–2022 m.) siekė spręsti šią krizę griežtai lyginant įprastą azoto valdymą su pažangiomis tiksliojo ūkininkavimo technologijomis.

Tyrime daugiausia dėmesio skirta trims palydoviniu būdu valdomoms strategijoms – azoto mitybos indeksui (NNI), proporciniam NDVI (NDVIH) ir kompensaciniam NDVI (NDVIL) – palyginti su tradiciniu vienodu azoto naudojimu. Išvados ne tik atskleidžia tvaraus kietųjų kviečių auginimo kelią, bet ir nepaprastai tiksliai kiekybiškai įvertina kiekvieno metodo ekonominius ir ekologinius kompromisus.

Metodologija: tiksliojo ūkininkavimo ir palydovinių technologijų derinys

Eksperimentas buvo vykdomas keturis iš eilės einančius auginimo sezonus Toskanos kalvotose vietovėse, kurios yra Viduržemio jūros regiono kviečių auginimo simbolis. Tyrėjai suskirstė bandymų laukus į sklypelius, kuriems buvo taikomos keturios skirtingos azoto kiekio valdymo strategijos.

Įprastas “fiksuoto tarifo” metodas atitiko regionines agronomines gaires, kasmet naudojant 150 kg azoto vienam hektarui. Tuo tarpu tikslieji metodai naudojo „Sentinel-2“ palydovinius vaizdus – Europos kosmoso agentūros misiją, teikiančią didelės skiriamosios gebos (10 metrų) daugiaspektrinius duomenis – kad būtų galima pritaikyti azoto naudojimą erdvėje ir laike.

NNI strategija išsiskyrė tuo, kad pasėlių azoto būsena buvo apskaičiuojama realiuoju laiku naudojant patvirtintą algoritmą, kuris integruoja lapų ploto indeksą ir biomasės įverčius. NDVIH paskirstė azotą proporcingai pagal augmenijos tankį (normalizuotą skirtuminės augmenijos indeksą), o NDVIL taikė kompensacinį metodą, papildomą azotą nukreipdama į zonas, kuriose mažai augmenijos.

NNI lenkia įprastas ir NDVI pagrįstas strategijas

Tyrimo laikotarpiu NNI metodas pademonstravo neprilygstamą efektyvumą. Jis sumažino azoto sunaudojimą 20%, naudojant tik 120 kg vienam hektarui, palyginti su įprastu 150 kg, tuo pačiu išlaikant statistiškai atitinkamą 4,8 tonos iš hektaro grūdų derlių, palyginti su 4,7 tonos taikant vienodo dydžio ūkininkavimą.

Baltymų kiekis – labai svarbus kietųjų kviečių galutinio panaudojimo makaronuose kokybės rodiklis – pasiekė 13,2%, naudojant NNI, šiek tiek viršydamas įprastinio metodo 12,5% rodiklį.

Šis nežymus baltymų padidėjimas davė reikšmingų pramoninių pranašumų: iš NNI optimizuotų kviečių pagamintos tešlos W indeksas (glitimo stiprumo matas) buvo 280, gerokai viršijantis 240, stebimą įprastuose kviečiuose.

Tokie patobulinimai atsirado dėl NNI gebėjimo sinchronizuoti azoto prieinamumą su pasėlių vystymosi etapais, užtikrinant optimalų maistinių medžiagų pasiskirstymą grūdų prisipildymo metu.

NDVI pagrįstų metodų paslėptos išlaidos

Nors NDVI pagrįstos strategijos buvo novatoriškos, jos atskleidė esminius apribojimus. Proporcingas NDVIH metodas, kai azotas buvo paskirstomas pagal medžių lajos žalumą, padidino baltymų kiekį iki 13,8%, tačiau sumažino derlių iki 4,5 tonos iš hektaro – 6% mažiau, palyginti su NNI.

Šis paradoksas kilo dėl per didelio tręšimo ir taip azotu turtingose zonose, kur per didelis vegetatyvinis augimas atitraukė energiją nuo grūdų gamybos.

Kompensacinis NDVIL metodas, skirtas padidinti sunkiai augančių pasėlių plotus, davė didžiausią derlių (5,1 t/ha), tačiau turėjo didelę aplinkosauginę kainą: tam reikėjo 160 kg N/ha, todėl azoto oksido emisija padidėjo 33% (1,4 kg CO2 ekvivalento/kg grūdų), palyginti su NNI 0,8 kg.

Šie išmetimai yra labai svarbūs – azoto oksido pasaulinio atšilimo potencialas per šimtmetį yra 265 kartus didesnis nei anglies dioksido.

Ekonomiškai NNI tapo aiškia nugalėtoja. Ūkininkai, pasirinkę šią strategiją, pasiekė 220 eurų grynąją grąžą iš hektaro, 121 TP3 T daugiau nei 196 eurai taikant įprastą metodą. Šis pranašumas atsirado dėl dviejų veiksnių: sumažėjusių trąšų sąnaudų (98 eurai/ha, palyginti su 123 eurais/ha) ir aukštesnės kainos už daug baltymų turinčius grūdus.

Tyrime pristatytas naujas “socialinių sąnaudų” rodiklis – išsamus aplinkos žalos, vandens taršos poveikio visuomenės sveikatai ir ilgalaikės dirvožemio degradacijos matas. NNI socialinės sąnaudos iš viso sudarė 42 eurus už hektarą, palyginti su įprastinio ūkininkavimo 60 eurų. NDVIH ir NDVIL pranešė apie atitinkamai 58 ir 55 eurų tarpines sąnaudas, atspindinčias nesubalansuotą azoto pasiskirstymą.

Atidžiau panagrinėjus aplinkosaugos rodiklius, azoto trąšų naudojimo efektyvumas (NfUE) – panaudoto N procentinė dalis, paversta į derliaus grūdus – taikant NNI pasiekė 65%, o tai yra ryškus pagerėjimas, palyginti su įprastinių metodų 52% efektyvumu. Šis šuolis reiškė 18% sumažėjimą nitratų išplovime, apsaugant vietinius vandeninguosius sluoksnius nuo užteršimo.

Per ketverius metus trukusį tyrimą laukai, kuriems taikoma NNI, dėl išplovimo kasmet neteko tik 12 kg azoto iš hektaro, palyginti su 22 kg įprastuose sklypuose. Kontekstui paminėtina, kad ES Nitratų direktyva reikalauja, kad nitratų koncentracija gruntiniame vandenyje būtų mažesnė nei 50 mg/l – ši riba viršyta 30% įprastuose sklypuose, bet tik 8% NNI valdomuose plotuose.

NNI masto didinimas: iššūkiai ir politikos intervencijos

Tyrimas taip pat atskleidė paslėptą naudą klimatui. Naudodama gyvavimo ciklo vertinimo (LCA) metodiką, komanda apskaičiavo, kad NNI anglies pėdsakas sudarė 0,8 kg CO2 ekvivalento vienam grūdų kilogramui, t. y. 331 TP3 T mažiau nei įprastinio ūkininkavimo 1,2 kg.

Šis sumažėjimas daugiausia susijęs su sumažėjusiomis trąšų gamybos išmetamų teršalų emisijomis (išvengta 1,2 kg CO2 ekv./kg N) ir mažesniu azoto suboksido išleidimu iš dirvožemio. Jei azoto suboksido naudojimas būtų taikomas visoje ES 2,4 mln. hektarų kietųjų kviečių dirbamos žemės plote, platus azoto suboksido taikymas galėtų sumažinti metinį išmetamų teršalų kiekį 960 000 metrinių tonų CO2 ekvivalento – tai prilygsta 208 000 automobilių pašalinimui iš kelių.

Vis dėlto tyrime įspėjama nelaikyti tiksliosios žemdirbystės panacėja. NNI metodo sėkmė priklauso nuo nuolatinės prieigos prie aukštos kokybės palydovinių duomenų ir pažangios technikos, galinčios taikyti kintamą normą – tai infrastruktūros spragos besivystančiuose regionuose.

Pavyzdžiui, „Sentinel-2“ palydovai kiekvieną vietą aplanko kas penkias dienas, tačiau debesuotumas kritiniais augimo etapais gali sutrikdyti duomenų rinkimą. Be to, algoritmai reikalauja kalibravimo pagal vietos sąlygas; šiame tyrime NNI ribos buvo tiksliai suderintos su Viduržemio jūros klimatu, pasiekiant 92% azoto būsenos prognozavimo tikslumą.

Modelio taikymas sausringiems regionams arba sunkiems molio dirvožemiams be pakartotinio kalibravimo gali sumažinti tikslumą iki 70–75%.

Žmogiškasis faktorius yra ne mažiau svarbus. Ūkininkai, pereinantys prie NNI, turi būti apmokyti interpretuoti spektrinius indeksus, pavyzdžiui, suprasti, kad NDVI vertės, didesnės nei 0,7, dažnai rodo perteklinę vegetaciją ir pateisina azoto kiekio sumažinimą.

Mokslininkų komanda apskaičiavo, kad 10% padidėjęs ūkininkų raštingumas apie tiksliuosius įrankius galėtų padidinti NfUE 4–6 procentiniais punktais. Tikėtina, kad politinės intervencijos bus būtinos: dirvožemio jutiklių subsidijavimas, agronomų vadovaujamų seminarų finansavimas ir kooperatyvų skatinimas dalytis technika galėtų demokratizuoti prieigą.

Žvelgiant į ateitį, tyrimo implikacijos apima daug daugiau nei kietuosius kviečius. NNI sistema, pritaikyta tokiems augalams kaip kukurūzai ar ryžiai, galėtų spręsti 60 milijonų tonų azoto pertekliaus problemą, kuri kasmet išskiriama visame pasaulyje – tai vienas iš pagrindinių JT darnaus vystymosi tikslų.

Preliminarūs bandymai Ispanijos miežių laukuose rodo panašų derliaus stabilumą, kai azoto kiekis mažesnis nei 18%, o tai rodo pritaikymą įvairiems pasėliams. Tyrėjams mašininio mokymosi integravimas su palydoviniais duomenimis yra perspektyvi sritis: ankstyvieji modeliai dabar gali numatyti azoto poreikį 95% tikslumu 30 dienų prieš naudojimą, o tai leidžia taikyti proaktyvų, o ne reaktyvų valdymą.

Išvada

Apibendrinant, šis tyrimas peržengia akademinių sluoksnių ribas ir siūlo planą, kaip suderinti žemės ūkio produktyvumą su planetos sveikata.

Sumažindamas azoto naudojimą 20%, padidindamas ūkininkų pelną 12% ir trečdaliu sumažindamas šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą, NNI metodas parodo, kad tvarumas ir pelningumas nėra vienas kito nesuderinami. Klimato kaitai stiprėjant sausroms ir destabilizuojant vegetacijos sezonus, tokios tikslios strategijos taps nepakeičiamos.

Dabartinis iššūkis – paversti šį mokslinį patvirtinimą veiksmais vietoje – vykdant politikos reformas, technologinę demokratizaciją ir keičiant požiūrį į trąšas: ne kaip į bukus įrankius, o kaip į tikslius instrumentus siekiant aprūpinimo maistu.

NuorodaFabbri, C., Delgado, A., Guerrini, L. ir Napoli, M. (2025). Tiksliojo azoto tręšimo strategijos kietiesiems kviečiams: NNI ir NDVI žemėlapiais pagrįstų metodų tvarumo vertinimas. Europos agronomijos žurnalas, 164, 127502.