Slāpekļa izmantošanas optimizēšana cietajos kviešos, izmantojot uz NNI un NDVI kartēm balstītas stratēģijas

Cietie kvieši, Vidusjūras lauksaimniecības stūrakmens un globāli kritiski svarīga kultūra makaronu ražošanā, saskaras ar steidzamu izaicinājumu: neilgtspējīgu slāpekļa (N) mēslošanas līdzekļu izmantošanu.

Lai gan slāpeklis ir neaizstājams ražas palielināšanai, tā pārmērīga lietošana rada nopietnas sekas videi, tostarp gruntsūdeņu piesārņojumu, siltumnīcefekta gāzu emisijas un augsnes degradāciju.

Asciano, Itālijā, veikts un Eiropas Agronomijas žurnālā publicēts revolucionārs četru gadu pētījums (2018.–2022. g.) centās risināt šo krīzi, stingri salīdzinot tradicionālo slāpekļa pārvaldību ar progresīvām precīzās lauksaimniecības metodēm.

Pētījumā uzmanība tika pievērsta trim satelītvadības stratēģijām — slāpekļa uztura indeksam (NNI), proporcionālajam NDVI (NDVIH) un kompensējošajam NDVI (NDVIL) —, salīdzinot ar tradicionālo, vienmērīgo slāpekļa mēslošanas metodi. Iegūtie rezultāti ne tikai atklāj ceļu uz ilgtspējīgu cieto kviešu audzēšanu, bet arī ar ievērojamu precizitāti kvantificē katras metodes ekonomiskos un ekoloģiskos kompromisus.

Metodoloģija: Precīzā lauksaimniecība satiekas ar satelīttehnoloģijām

Eksperiments norisinājās četrās secīgās augšanas sezonās Toskānas paugurainajos apvidos, kas ir Vidusjūras kviešu audzēšanas simbols. Pētnieki sadalīja testa laukus parauglaukumos, kuros tika izmantotas četras atšķirīgas slāpekļa apsaimniekošanas stratēģijas.

Tradicionālā “fiksētās likmes” pieeja ievēroja reģionālās agronomiskās vadlīnijas, katru gadu pielietojot 150 kg slāpekļa uz hektāru. Turpretī precīzās metodes izmantoja Sentinel-2 satelītattēlus — Eiropas Kosmosa aģentūras misiju, kas nodrošina augstas izšķirtspējas (10 metru) multispektrālos datus —, lai pielāgotu slāpekļa mēslojuma lietošanu telpiski un laika ziņā.

NNI stratēģija izcēlās ar to, ka tā aprēķināja kultūraugu slāpekļa statusu reāllaikā, izmantojot validētu algoritmu, kas integrē lapu laukuma indeksu un biomasas aprēķinus. NDVIH sadalīja slāpekli proporcionāli, pamatojoties uz veģetācijas blīvumu (normalizēto veģetācijas diferenciālo indeksu), savukārt NDVIL izmantoja kompensējošu pieeju, novirzot papildu slāpekli uz zonām ar zemu veģetāciju.

NNI pārspēj tradicionālās un uz NDVI balstītās stratēģijas

Pētījuma laikā NNI metode uzrādīja nepārspējamu efektivitāti. Tā samazināja slāpekļa patēriņu par 20%, uz hektāra uzklājot tikai 120 kg salīdzinājumā ar parastajiem 150 kg, vienlaikus saglabājot statistiski līdzvērtīgu graudu ražu 4,8 tonnas uz hektāru salīdzinājumā ar 4,7 tonnām vienotas likmes lauksaimniecībā.

Olbaltumvielu saturs — kritisks kvalitātes rādītājs cieto kviešu galapatēriņam makaronu ražošanā — sasniedza 13,2% ar NNI, nedaudz pārspējot tradicionālās metodes 12,5%.

Šis nelielais olbaltumvielu pieaugums radīja ievērojamas rūpnieciskas priekšrocības: no NNI optimizētiem kviešiem ražotai mīklai W indekss (glutēna stipruma mērs) bija 280, kas ievērojami pārsniedza parastajiem kviešiem novēroto 240.

Šādi uzlabojumi izrietēja no NNI spējas sinhronizēt slāpekļa pieejamību ar kultūraugu attīstības stadijām, nodrošinot optimālu barības vielu sadalījumu graudu piepildīšanās laikā.

NDVI balstītu pieeju slēptās izmaksas

Lai gan uz NDVI balstītās stratēģijas bija inovatīvas, tām atklāja būtiskus ierobežojumus. Proporcionālā NDVIH pieeja, kas N piešķīra, pamatojoties uz vainaga zaļumu, palielināja olbaltumvielu saturu līdz 13,8%, bet samazināja ražu līdz 4,5 tonnām uz hektāru, kas ir par 6% mazāk nekā ar NNI.

Šis paradokss radās pārmērīgas mēslošanas dēļ jau tā slāpekļa bagātajās zonās, kur pārmērīga veģetatīvā augšana novirzīja enerģiju no graudu ražošanas.

Kompensējošā NDVIL metode, kas paredzēta, lai palielinātu grūti sasniedzamo kultūraugu platību ražu, nodrošināja visaugstāko ražu (5,1 tonna/ha), taču ar ievērojamām vides izmaksām: tai bija nepieciešami 160 kg N uz hektāru, kā rezultātā slāpekļa oksīda emisijas palielinājās par 33% (1,4 kg CO2 ekvivalenta uz kg graudu), salīdzinot ar NNI 0,8 kg.

Šīs emisijas ir ārkārtīgi svarīgas — slāpekļa oksīda globālās sasilšanas potenciāls gadsimta laikā ir 265 reizes lielāks nekā oglekļa dioksīda.

Ekonomiski NNI izrādījās nepārprotams uzvarētājs. Lauksaimnieki, kas izmantoja šo stratēģiju, sasniedza 220 eiro tīro peļņu no hektāra, kas ir par 121 TP3 t vairāk nekā 196 eiro, izmantojot tradicionālo metodi. Šī priekšrocība izrietēja no diviem faktoriem: samazinātām mēslošanas līdzekļu izmaksām (98 eiro/ha salīdzinājumā ar 123 eiro/ha) un augstākām cenām par graudiem ar augstu olbaltumvielu saturu.

Pētījumā tika ieviests jauns “sociālo izmaksu” rādītājs — visaptverošs vides kaitējuma, ūdens piesārņojuma ietekmes uz sabiedrības veselību un ilgtermiņa augsnes degradācijas rādītājs. NNI sociālās izmaksas kopumā bija 42 eiro par hektāru, kas ir ievērojami mazākas par tradicionālās lauksaimniecības 60 eiro. NDVIH un NDVIL starpizmaksas bija attiecīgi 58 eiro un 55 eiro, kas atspoguļo to nelīdzsvaroto slāpekļa sadalījumu.

Iedziļinoties vides rādītājos, slāpekļa mēslojuma izmantošanas efektivitāte (NfUE) — izmantotā N procentuālā daļa, kas pārvērsta ražas novākšanai paredzētos graudos — sasniedza 65%, izmantojot NNI, kas ir ievērojams uzlabojums salīdzinājumā ar tradicionālo metožu 52% efektivitāti. Šis lēciens nozīmēja nitrātu izskalošanās samazinājumu par 18%, aizsargājot vietējos ūdens nesējslāņus no piesārņojuma.

Četru gadu ilgā pētījuma laikā lauki, ko apsaimnieko ar NNI, izskalošanās dēļ gadā zaudēja tikai 12 kg slāpekļa uz hektāru, salīdzinot ar 22 kg tradicionālajos parauglaukumos. Kontekstam ES Nitrātu direktīva nosaka, ka gruntsūdeņu nitrātu koncentrācijai jābūt zem 50 mg/l, un šī robežvērtība tiek pārsniegta 30% parastajos parauglaukumos, bet tikai 8% NNI apsaimniekotajās platībās.

NNI mērogošana: izaicinājumi un politikas intervences

Pētījums atklāja arī slēptos ieguvumus klimatam. Izmantojot dzīves cikla novērtējuma (LCA) metodoloģiju, komanda aprēķināja, ka NNI oglekļa pēdas nospiedums bija 0,8 kg CO2 ekvivalenta uz kg graudu, kas ir par 33% mazāk nekā tradicionālās lauksaimniecības 1,2 kg.

Šis samazinājums galvenokārt bija saistīts ar samazinātām mēslošanas līdzekļu ražošanas emisijām (1,2 kg CO2 ekvivalenta/kg N ietaupīts) un mazāku slāpekļa oksīda izmešu daudzumu no augsnes. Ja NNI plaša ieviešana tiktu ieviesta visā ES 2,4 miljonu hektāru platībā, tā varētu samazināt gada emisijas par 960 000 metriskajām tonnām CO2 ekvivalenta, kas ir līdzvērtīgi 208 000 automašīnu nobraukumam no ceļiem.

Tomēr pētījumā brīdināts neuztvert precīzo lauksaimniecību kā panaceju. NNI metodes panākumi ir atkarīgi no nepārtrauktas piekļuves augstas kvalitātes satelītdatiem un modernām iekārtām, kas spēj veikt mainīgu devu lietošanu, — infrastruktūras nepilnības jaunattīstības reģionos.

Piemēram, Sentinel-2 satelīti ik pēc piecām dienām atgriežas katrā atrašanās vietā, taču mākoņu sega kritiskās augšanas stadijās var traucēt datu vākšanu. Turklāt algoritmiem ir nepieciešama kalibrēšana atbilstoši vietējiem apstākļiem; šajā pētījumā NNI robežvērtības tika precīzi pielāgotas Vidusjūras klimatam, sasniedzot 92% precizitāti slāpekļa statusa prognozēšanā.

Modeļa piemērošana sausos reģionos vai smagās māla augsnēs bez atkārtotas kalibrēšanas varētu samazināt precizitāti līdz 70–75%.

Tikpat svarīgs ir cilvēciskais faktors. Lauksaimniekiem, kas pāriet uz NNI, ir nepieciešama apmācība spektrālo indeksu interpretēšanā, piemēram, lai viņi saprastu, ka NDVI vērtības virs 0,7 bieži vien liecina par pārmērīgu veģetāciju un attaisno slāpekļa daudzuma samazināšanu.

Pētnieku komanda lēš, ka 10% līmeņa lauksaimnieku zināšanu pieaugums par precīzijas instrumentiem varētu palielināt NfUE par 4–6 procentpunktiem. Visticamāk, būtiska būs politikas intervence: augsnes sensoru subsidēšana, agronomu vadītu semināru finansēšana un kooperatīvu stimulēšana dalīties ar tehniku varētu demokratizēt piekļuvi.

Raugoties nākotnē, pētījuma ietekme sniedzas daudz tālāk par cietajiem kviešiem. Pielāgojot NNI sistēmu tādām kultūrām kā kukurūza vai rīsi, varētu risināt 60 miljonu tonnu pārmērīga slāpekļa problēmu, kas katru gadu tiek izmantota visā pasaulē, kas ir viens no ANO ilgtspējīgas attīstības mērķu galvenajiem mērķiem.

Sākotnējie izmēģinājumi Spānijas miežu laukos uzrāda līdzīgu ražas stabilitāti ar 18% mazāku N daudzumu, kas liecina par piemērojamību dažādām kultūrām. Pētniekiem mašīnmācīšanās integrēšana ar satelītu datiem paver daudzsološu iespēju: agrīnie modeļi tagad var paredzēt slāpekļa pieprasījumu ar 95% precizitāti 30 dienas pirms lietošanas, nodrošinot proaktīvu, nevis reaktīvu apsaimniekošanu.

Secinājums

Noslēgumā jāsaka, ka šis pētījums sniedzas pāri akadēmiskajām aprindām, piedāvājot plānu lauksaimniecības produktivitātes saskaņošanai ar planētas veselību.

Samazinot slāpekļa patēriņu par 20%, palielinot lauksaimnieku peļņu par 12% un samazinot siltumnīcefekta gāzu emisijas par trešdaļu, NNI metode pierāda, ka ilgtspējība un rentabilitāte nav savstarpēji izslēdzošas. Tā kā klimata pārmaiņas pastiprina sausumu un destabilizē augšanas sezonas, šādas precīzas stratēģijas būs neaizstājamas.

Tagad izaicinājums ir pārveidot šo zinātnisko apstiprinājumu darbībās uz vietas — izmantojot politikas reformas, tehnoloģisko demokratizāciju un paradigmas maiņu tajā, kā mēs uztveram mēslošanas līdzekļus nevis kā neasus darbarīkus, bet gan kā precīziem instrumentiem pārtikas nodrošinājuma centienos.

AtsauceFabbri, C., Delgado, A., Guerrini, L. un Napoli, M. (2025). Precīzas slāpekļa mēslošanas stratēģijas cietajiem kviešiem: uz NNI un NDVI kartēm balstītu pieeju ilgtspējības novērtējums. European Journal of Agronomy, 164, 127502.