Rola efektywnego wykorzystania składników odżywczych w odpowiedzialnym odżywianiu roślin

Efektywność wykorzystania składników odżywczych (NUE) to kluczowa koncepcja we współczesnym rolnictwie, odgrywająca kluczową rolę w stymulowaniu wzrostu roślin i optymalizacji plonów. Wraz ze wzrostem populacji na świecie, rośnie zapotrzebowanie na produkcję żywności, co sprawia, że rolnicy muszą wdrażać zrównoważone i wydajne praktyki rolnicze.

Składniki odżywcze są niezbędne do wzrostu, rozwoju i metabolizmu roślin. Odgrywają ważną rolę w różnych procesach fizjologicznych, takich jak fotosynteza, oddychanie, aktywność enzymów, podział komórek, transdukcja sygnałów i reakcja na stres.

Rośliny potrzebują różnych ilości i rodzajów składników odżywczych w zależności od gatunku, fazy wzrostu i warunków środowiskowych. Niektóre składniki odżywcze są potrzebne w dużych ilościach (makroelementy), takie jak azot (N), fosfor (P) i potas (K) itp. Inne są potrzebne w małych ilościach (mikroelementy), takie jak żelazo (Fe), cynk (Zn) i miedź (Cu) itp.

Czym jest efektywne wykorzystanie składników odżywczych?

Odnosi się do zdolności rośliny do efektywnego wykorzystywania składników odżywczych dla jej wzrostu i rozwoju. Mówiąc prościej, jest to miara efektywności, z jaką rośliny wchłaniają i wykorzystują niezbędne pierwiastki z gleby, wody i powietrza.

Jego zastosowanie polega na minimalizacji strat i maksymalizacji pobierania i wykorzystania składników odżywczych przez rośliny, co ostatecznie przyczynia się do poprawy wydajności upraw. Można go wyrazić jako stosunek biomasy roślin lub plonu do pobrania lub wprowadzenia składników odżywczych.

Wysoki NUE oznacza, że rośliny produkują więcej biomasy lub plonu przy mniejszym pobieraniu lub dostarczaniu składników odżywczych, podczas gdy niski NUE oznacza, że rośliny potrzebują więcej składników odżywczych, aby osiągnąć ten sam poziom wzrostu lub produkcji.

Co więcej, NUE można definiować na różne sposoby, w zależności od zadawanego pytania i dostępnych danych. Oto kilka popularnych terminów używanych do wyrażenia NUE:

• Częściowa produktywność czynników (PFP):ilość plonu na jednostkę zastosowanego składnika odżywczego
• Efektywność agronomiczna (AE):wzrost plonu na jednostkę zastosowanego składnika odżywczego
• Częściowy bilans składników odżywczych (PNB):ilość pobieranych składników odżywczych na jednostkę zastosowanego składnika odżywczego
• Widoczna wydajność odzysku (RE):różnica w pobieraniu składników odżywczych przez uprawy nawożone i nienawożone na jednostkę zastosowanego składnika odżywczego
• Efektywność wykorzystania wewnętrznego (IE):ilość plonu na jednostkę poboru składników odżywczych
• Sprawność fizjologiczna (PE):wzrost plonu na jednostkę różnicy w pobieraniu składników odżywczych między uprawami nawożonymi i nienawożonymi

Globalna odpowiedź na jego znaczenie

Według Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) światowe zużycie nawozów wzrosło o ponad 5001 TP3T od 1961 r., osiągając poziom ponad 200 milionów ton składników odżywczych w 2023 r. Przyczyniło się to do znacznego wzrostu produkcji roślinnej i dostępności żywności, ale także do dużych strat składników odżywczych w środowisku.

Ponadto FAO szacuje, że rośliny na całym świecie pobierają zaledwie 42% azotu (N) i 15% fosforu (P) stosowanych w postaci nawozów, podczas gdy reszta ulega utracie poprzez wymywanie, spływ powierzchniowy, erozję, ulatnianie się, denitryfikację lub unieruchomienie.

W związku z tym FAO wyznaczyło cel zwiększenia globalnego średniego NUE z 42% do 52% do 2030 roku. Wymagałoby to zmniejszenia zużycia nawozów azotowych o 20%, a jednocześnie zwiększenia pobierania azotu przez uprawy o 10%. Podobnie, Panel Naukowy ds. Odpowiedzialnego Żywienia Roślin zaproponował wizję osiągnięcia korzystnego dla środowiska naturalnego odżywiania roślin do 2050 roku. Wizja ta obejmuje pięć celów:

1. Zmniejszenie o połowę ilości odpadów odżywczych w systemie żywnościowym poprzez odpowiedzialną konsumpcję, zwiększenie recyklingu i lepsze praktyki zarządzania.
2. Zatrzymano wyczerpywanie się składników odżywczych w glebie i utratę węgla, co wpłynęło na poprawę zdrowia gleby i zawartości materii organicznej.
3. Straty substancji odżywczych w zbiornikach wodnych zmniejszyły się dzięki zastosowaniu 75%, co zapobiegło eutrofizacji i zakwitom glonów.
4. Emisja tlenku azotu z rolnictwa zmniejszyła się o 50%, co przyczyniło się do łagodzenia emisji gazów cieplarnianych i zmiany klimatu.
5. Plony i jakość upraw wzrosły o 50%, co poprawiło bezpieczeństwo żywnościowe i odżywianie.

Średnia światowa wartość NUE zbóż wyniosła 33%, nasion oleistych 48%, korzeni i bulw 62%, roślin strączkowych 64%, owoców 66%, warzyw 68%, a upraw cukrowych 69% w latach 2018–2019.

W Chinach przeprowadzono eksperyment na dużą skalę, w którym wzięło udział ponad 20 milionów rolników. Wykazano, że zmniejszenie stosowania nawozów azotowych średnio o 14% zwiększyło plony pszenicy średnio o 10%, co przełożyło się na wzrost częściowej produktywności czynników o średnio 29%.

Natomiast w Indiach eksperyment polowy obejmujący różne odmiany ryżu wykazał, że stosowanie specyficznego dla danego miejsca zarządzania składnikami odżywczymi w oparciu o badania gleby zwiększyło plon ziarna średnio o 17%, efektywność wykorzystania zasobów średnio o 22% i rentowność na podstawie bilansu składników odżywczych średnio o 28% w porównaniu z praktyką stosowaną przez rolników. .

Podobnie w Kenii eksperyment polowy obejmujący różne systemy współrzędnej uprawy kukurydzy i roślin strączkowych wykazał, że stosowanie mikrodawek nawozu wraz z nawozem organicznym zwiększyło plon ziarna średnio o 79%, efektywność agronomiczną średnio o 86%, efektywność wykorzystania zasobów średnio o 51% i rentowność z bilansu składników odżywczych średnio o 50% w porównaniu z uprawą wyłącznie bez nawożenia.

Przykłady te pokazują potencjał poprawy NUE poprzez różne strategie i praktyki, które mogą zwiększyć produkcję roślinną, a jednocześnie ograniczyć straty i emisję składników odżywczych.

Jakie znaczenie ma to dla wzrostu roślin?

NUE jest ważny zarówno ze względów ekonomicznych, jak i środowiskowych, ponieważ może obniżyć koszty produkcji roślinnej i ryzyko utraty składników odżywczych do środowiska. Oto jednak kilka ważnych aspektów wzrostu roślin, które są z nim ściśle powiązane.

1. Wzmocniona fotosynteza

Jednym z głównych czynników wpływających na NUE jest fotosynteza, czyli proces, w którym rośliny przekształcają energię świetlną w energię chemiczną. Fotosynteza zależy od dostępności składników odżywczych, zwłaszcza azotu (N), który jest kluczowym składnikiem chlorofilu, pigmentu pochłaniającego światło.

N odgrywa również rolę w syntezie aminokwasów, nukleotydów i innych cząsteczek niezbędnych do wzrostu i rozwoju roślin. Fosfor jest również niezbędny do transportu energii, a potas reguluje otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych, wpływając na pobieranie dwutlenku węgla.

Dlatego efektywne wykorzystanie składników odżywczych ma bezpośredni wpływ na tempo fotosyntezy, co prowadzi do zwiększonej produkcji energii niezbędnej do wzrostu roślin.

2. Struktura i funkcja komórki

Innym czynnikiem, na który wpływa, jest struktura i funkcja komórkowa, które determinują sposób pobierania, transportu, magazynowania i wykorzystywania składników odżywczych w komórkach rośliny. Struktura i funkcja komórkowa zależą od dostępności składników odżywczych, zwłaszcza fosforu (P), potasu (K), wapnia (Ca) i magnezu (Mg) itp.

Na przykład wapń bierze udział w rozwoju ścian komórkowych, zapewniając integralność i wytrzymałość komórek. Magnez jest centralnym składnikiem cząsteczek chlorofilu, wspomagając fotosyntezę. Dlatego efektywne wykorzystanie składników odżywczych zapewnia prawidłowe funkcjonowanie komórek i tkanek, sprzyjając ogólnemu zdrowiu roślin.

3. Odporność na stres i choroby

Trzecim czynnikiem, na który wpływa, jest odporność na stres i choroby, które mogą ograniczać wzrost i plonowanie roślin poprzez wpływ na różne procesy fizjologiczne i biochemiczne. Stres i choroby mogą być spowodowane różnymi czynnikami, takimi jak susza, zasolenie, ekstremalne temperatury, niedobór lub toksyczność składników odżywczych, szkodniki, patogeny, chwasty itp.

Dlatego odpowiednie odżywianie wzmacnia rośliny, zwiększając ich odporność na stresy środowiskowe i choroby. Dobrze odżywione rośliny lepiej znoszą niekorzystne warunki, takie jak susza czy ataki szkodników. Co więcej, rośliny o optymalnym poziomie składników odżywczych wykazują lepszą tolerancję na stres, przyczyniając się do zrównoważonego wzrostu i wyższych plonów w trudnych warunkach.

Jakie czynniki mają na to wpływ i jak je kontrolować?

Wskaźnik NUE w rolnictwie nie jest koncepcją uniwersalną; jest on raczej uwarunkowany wieloma czynnikami, które w złożony sposób kształtują sposób, w jaki rośliny wchłaniają, wykorzystują i reagują na niezbędne składniki odżywcze. Czynniki te obejmują właściwości gleby, warunki klimatyczne, gatunki i odmiany upraw, praktyki zarządzania oraz interakcje między tymi czynnikami.

1. Właściwości gleby

Właściwości gleby, takie jak tekstura, struktura, pH, materia organiczna i aktywność mikrobiologiczna, mają istotny wpływ na NUE. Tekstura i struktura gleby wpływają na zdolność zatrzymywania wody, napowietrzenie, drenaż i penetrację korzeni przez glebę.

Czynniki te wpływają na dostępność i mobilność składników odżywczych w roztworze glebowym oraz ich pobieranie przez korzenie roślin. Na przykład gleby piaszczyste mają niską pojemność wodną i wysoki potencjał wypłukiwania, co może zmniejszać wartość NUE azotu (N) i potasu (K).

Gleby gliniaste charakteryzują się dużą pojemnością wodną i słabym napowietrzeniem, co może ograniczać przyswajanie fosforu (P) i mikroelementów.

Ponadto pH gleby wpływa na rozpuszczalność i dostępność składników odżywczych w glebie. Większość składników odżywczych jest bardziej dostępna w glebach lekko kwaśnych lub obojętnych (pH 6-7), podczas gdy niektóre mikroelementy, takie jak żelazo (Fe), mangan (Mn), cynk (Zn) i miedź (Cu), są bardziej dostępne w glebach kwaśnych (pH < 6).

Materia organiczna gleby i aktywność mikrobiologiczna wpływają na obieg i przemianę składników odżywczych w glebie. Materia organiczna stanowi źródło węgla (C) i energii dla mikroorganizmów glebowych, które mogą mineralizować organiczne formy składników odżywczych do form nieorganicznych, dostępnych dla roślin.

Mikroorganizmy mogą również unieruchamiać składniki odżywcze poprzez włączanie ich do swojej biomasy lub tworzenie kompleksów z cząsteczkami organicznymi.

2. Warunki klimatyczne

Warunki klimatyczne, takie jak temperatura, opady deszczu, promieniowanie słoneczne i wiatr, wpływają na NUE poprzez wpływ na procesy glebowe, wzrost roślin i utratę składników odżywczych. Temperatura wpływa na tempo reakcji chemicznych i biologicznych w glebie, a także na aktywność metaboliczną i rozwój roślin.

Wyższe temperatury na ogół zwiększają mineralizację materii organicznej i dostępność składników odżywczych w glebie, ale mogą również zwiększyć ulatnianie się amoniaku (NH3) z mocznika lub obornika lub denitryfikację azotanów (NO3-) do podtlenku azotu (N2O) lub gazu diazotowego (N2).

Wyższe temperatury mogą również przyspieszyć wzrost roślin i zwiększyć zapotrzebowanie na składniki odżywcze, ale mogą także ograniczyć pobieranie wody przez rośliny i transpirację, co może mieć wpływ na transport składników odżywczych w roślinie.

Podobnie, opady deszczu wpływają na gospodarkę wodną i dynamikę składników odżywczych w systemie gleba-roślina. Odpowiednie opady deszczu są niezbędne do utrzymania wilgotności gleby i dostępności składników odżywczych do pobierania przez rośliny, ale nadmierne opady mogą powodować wypłukiwanie lub spływ składników odżywczych z powierzchni gleby lub warstw podpowierzchniowych.

Opady deszczu mogą również wpływać na czas i częstotliwość nawadniania oraz nawożenia, co może wpływać na NUE. Promieniowanie słoneczne wpływa na aktywność fotosyntetyczną i produkcję biomasy roślin, co determinuje ich zapotrzebowanie na składniki odżywcze i ich pobieranie.

Ponadto wiatr wpływa również na NUE, wpływając na erozję gleby, parowanie i procesy ulatniania. Wiatr może powodować erozję gleby poprzez odrywanie i przenoszenie cząstek gleby zawierających składniki odżywcze z jednego miejsca do drugiego.

Wiatr może również zwiększać parowanie z powierzchni gleby lub koron roślin, co może zmniejszyć wilgotność gleby i dostępność składników odżywczych dla roślin.

3. Charakterystyka roślin i odmiany

Gatunki i odmiany roślin uprawnych różnią się pod względem potencjału genetycznego w zakresie NUE, a także reakcji na czynniki środowiskowe i uprawowe. Niektóre rośliny uprawne charakteryzują się wyższym wrodzonym NUE niż inne ze względu na swoje cechy fizjologiczne, takie jak morfologia korzeni, kinetyka pobierania składników odżywczych, wydajność translokacji, zdolność asymilacji, wydajność remobilizacji, wskaźnik plonu itp.

Na przykład zboża mają na ogół wyższy NUE niż rośliny strączkowe ze względu na wyższy wskaźnik plonu (stosunek plonu ziarna do całkowitej biomasy) i niższe stężenie składników odżywczych w ziarnach.

Co więcej, odmiany uprawne w obrębie gatunku mogą również różnić się pod względem NUE ze względu na różnice w cechach genetycznych lub działania hodowlane. Na przykład niektóre odmiany ryżu mają wyższy NUE niż inne ze względu na zdolność do wykorzystywania alternatywnych źródeł azotu (N), takich jak amon (NH4+) lub wiązanie N2 w atmosferze przez bakterie symbiotyczne.

Niektóre odmiany pszenicy charakteryzują się wyższym wskaźnikiem NUE niż inne, ponieważ wykorzystują fosfor (P) w sposób bardziej efektywny poprzez wydzielanie kwasów organicznych lub fosfataz, które rozpuszczają P z gleby. Niektóre odmiany kukurydzy charakteryzują się wyższym wskaźnikiem NUE niż inne, ponieważ wykorzystują potas (K) w sposób bardziej efektywny poprzez ograniczenie wycieku potasu z korzeni lub zwiększenie jego pobierania w warunkach niskiej dostępności.

4. Praktyki zarządzania

Praktyki rolnicze, takie jak uprawa roli, płodozmian, uprawa współrzędna, uprawy okrywowe, nawadnianie, nawożenie, zwalczanie chwastów, zwalczanie szkodników i zarządzanie zbiorami, mogą wpływać na NUE poprzez modyfikację środowiska glebowego, wzrostu upraw i strat składników odżywczych.

Uprawa

Uprawa roli wpływa na fizyczne i biologiczne właściwości gleby, takie jak jej struktura, materia organiczna, aktywność mikrobiologiczna i dystrybucja składników odżywczych. Może poprawić wartość energetyczną gleby (NUE) poprzez zwiększenie napowietrzenia i drenażu, co może poprawić dostępność składników odżywczych i ich pobieranie przez korzenie roślin.

Może jednak również zmniejszyć NUE poprzez zwiększenie erozji gleby i strat składników odżywczych lub poprzez zmniejszenie zawartości materii organicznej w glebie i aktywności mikroorganizmów, co może ograniczyć obieg i dostępność składników odżywczych.

Płodozmian

Płodozmian jawi się jako strategia poprawy wskaźnika NUE poprzez dywersyfikację popytu i podaży składników odżywczych między uprawami. Poza kwestiami związanymi ze składnikami odżywczymi, okazuje się on również skuteczny w przerywaniu cykli szkodników i chorób, przyczyniając się tym samym do poprawy wskaźnika NUE.

Na przykład, płodozmian ze zbożami i roślinami strączkowymi może poprawić wskaźnik NUE poprzez zwiększenie podaży azotu pochodzącego z biologicznego wiązania N2 przez rośliny strączkowe lub poprzez zmniejszenie zapotrzebowania zbóż na azot ze względu na ich niższe zapotrzebowanie na azot.

Uprawa współrzędna

Uprawa współrzędna, polegająca na jednoczesnej uprawie dwóch lub więcej roślin na tym samym obszarze, jest ceniona za pozytywny wpływ na NUE. Osiąga się to poprzez wspieranie komplementarności i synergii między uprawami w zakresie wykorzystania składników odżywczych. Na przykład, uprawa współrzędna zbóż z roślinami strączkowymi zmienia wzorce podaży azotu, pozytywnie wpływając na NUE.

Uprawa okrywowa

Uprawa okrywowa, czyli uprawa między dwiema głównymi uprawami w celu pokrycia powierzchni gleby i zapobieżenia erozji, ma podwójny wpływ na NUE. Z jednej strony, przyczynia się pozytywnie, zwiększając NUE poprzez zwiększenie zawartości materii organicznej, aktywności mikrobiologicznej i obiegu składników odżywczych.

Z drugiej strony pojawiają się wyzwania, ponieważ rośliny okrywowe mogą konkurować o składniki odżywcze, wodę i światło, co może potencjalnie wpływać na NUE.

Nawadnianie

Rozsądnie stosowane nawadnianie poprawia wskaźnik NUE poprzez utrzymanie optymalnej wilgotności gleby i dostępności składników odżywczych. Jednak nieprawidłowo przeprowadzone nawadnianie może zmniejszyć wskaźnik NUE poprzez wypłukiwanie składników odżywczych lub ich spływ.

Nawożenie

Nawożenie, odpowiednio dobrane i stosowane, wzmacnia NUE poprzez zwiększenie dostępności składników odżywczych dla korzeni roślin. Niemniej jednak, nadmierne stosowanie może prowadzić do utraty składników odżywczych, co podkreśla delikatną równowagę w praktykach nawożenia.

Odchwaszczanie

Zwalczanie chwastów poprawia NUE poprzez ograniczenie konkurencji składników odżywczych i strat spowodowanych przez chwasty. Należy jednak dokładnie rozważyć jego wpływ na właściwości gleby, ponieważ może on wpływać na dostępność i pobieranie azotu.

Zwalczanie szkodników

Zwalczanie szkodników pozytywnie wpływa na NUE, zmniejszając straty składników odżywczych spowodowane przez szkodniki. Jednak, podobnie jak w przypadku zwalczania chwastów, jego wpływ na właściwości gleby może wpływać na dostępność i obieg składników odżywczych.

Zarządzanie zbiorami

Zarządzanie zbiorami, obejmujące decyzje dotyczące czasu i sposobu zbioru upraw, odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu NUE. Pozytywnie wpływa na NUE poprzez optymalizację plonów i redukcję stężenia składników odżywczych w zebranych częściach. Jednak nieodpowiednie zarządzanie zbiorami może pozostawić składniki odżywcze w resztkach, co wpływa na NUE.

Jakie są główne wskaźniki NUE dla różnych systemów?

Mierzy on, jak dobrze system uprawy wykorzystuje dostępne składniki odżywcze do produkcji plonów. Jednak NUE nie jest prostym ani jednolitym wskaźnikiem. Może się różnić w zależności od rozpatrywanych nakładów i efektów, skali i granic systemu oraz celu oceny. Dlatego ważne jest, aby stosować odpowiednie wskaźniki, które odzwierciedlają cele odpowiedzialnego żywienia roślin.

Wskaźniki nawozu

Wskaźniki te koncentrują się na efektywności wykorzystania składników odżywczych z nawozów. Pokazują, jak skutecznie zastosowane składniki odżywcze przekształcają się w plony, co może pomóc w podejmowaniu decyzji dotyczących optymalnego zarządzania składnikami odżywczymi i alokacji zasobów. Niektóre z typowych wskaźników nawożenia to:

1. Częściowa produktywność czynników (PFP): Jest to stosunek plonu do zastosowanego nawozu. Wskazuje on wydajność na jednostkę nawozu. Wysoki PFP oznacza wysokie plony przy niskim nawozie. Nie uwzględnia on jednak innych źródeł składników odżywczych ani strat w środowisku.

Na przykład w przypadku dobrze utrzymanych upraw zbóż, typowy zakres PFP dla plonu ziarna na kilogram zastosowanego azotu wynosi od 50 do 100 kilogramów.

2. Efektywność agronomiczna (AE): Jest to wzrost plonów na jednostkę zastosowanego składnika odżywczego. Wskazuje on na marginalny zwrot z nawożenia. Wysoki AE oznacza duży wzrost plonów przy niskim nawożeniu. Nie uwzględnia on jednak początkowej żyzności gleby ani strat dla środowiska.

Biorąc za przykład azot, w dobrze utrzymanych systemach uprawy zbóż, średnia wartość energetyczna (AE) wynosi zazwyczaj około 20–30 kilogramów ziarna na kilogram zastosowanego azotu. Czasami jednak może być nawet wyższa.

3. Efektywność odzysku (RE): Jest to ułamek składników odżywczych nawozów, który jest pobierany przez rośliny. Wskazuje on na efektywność pobierania składników odżywczych z nawozów. Wysoki wskaźnik RE oznacza niską utratę nawozów do środowiska. Nie ma on jednak wpływu na plon ani jakość plonu.

Na przykład, według globalnej analizy przeprowadzonej przez Zhang i in. (2015), średnie PFP, AE i RE nawozów azotowych (N) dla upraw zbożowych wynosiły odpowiednio 42 kg ziarna/kg N, 15 kg ziarna/kg N i 0,33 kg pobrania N/kg zastosowanego N. Wartości te znacznie różniły się w zależności od regionu i rodzaju upraw, odzwierciedlając różnice w warunkach glebowych, klimacie, systemach upraw i praktykach zarządzania.

Wskaźniki upraw

Wskaźniki te określają alokację składników odżywczych w roślinie i jej wpływ na plony i jakość. Pokazują, jak efektywnie roślina wykorzystuje wchłonięte składniki odżywcze do produkcji biomasy lub produktów ekonomicznych. Do typowych wskaźników upraw należą:

1. Wskaźnik zbioru składników odżywczych (NHI): Jest to stosunek zawartości składników odżywczych w zebranych częściach do całkowitego pobrania składników odżywczych przez część nadziemną. Wskazuje on, jaka część wchłoniętych składników odżywczych jest przypisana do produktów ekonomicznych. Wysoki NHI oznacza wysoki stopień usunięcia składników odżywczych podczas zbiorów i niski powrót składników odżywczych do gleby.

Typowe wartości NHI dla kukurydzy odnotowano w zakresie 59–70% dla azotu (N), 79–91% dla fosforu (P) i 13–19% dla potasu (K) (13). Podobnie w przypadku ryżu odnotowano zakresy 54–65% dla N, 61–71% dla P i 12–19% dla K.

2. Efektywność wewnętrzna (IE): Jest to stosunek plonu do zawartości składników odżywczych w zebranych częściach. Wskazuje on efektywność ekonomicznego wytwarzania produktu na jednostkę usuniętego składnika odżywczego. Wysoki wskaźnik IE oznacza wysoki plon przy niskim stężeniu składników odżywczych w zebranych częściach.

Przykładowo, udoskonalenia w hodowli kukurydzy pozwoliły na zwiększenie efektywności wykorzystania azotu z 45 kg na kg pobranego azotu w 1946 r. do 66 kg/kg w 2015 r.

3. Sprawność fizjologiczna (PE): Jest to stosunek plonu do zawartości składników odżywczych w biomasie nadziemnej. Wskazuje on efektywność ekonomicznego wytwarzania produktu na jednostkę całkowitej zawartości składników odżywczych w roślinie. Wysoki PE oznacza wysoki plon przy niskim stężeniu składników odżywczych w biomasie.

4. Koncentracja składników odżywczych (NC):Jest to ilość składników odżywczych na jednostkę suchej masy w zebranych częściach lub biomasie nadziemnej. Wskazuje ona na jakość lub wartość odżywczą produktu lub pozostałości po uprawie.

Ponadto, zgodnie z metaanalizą Dobermanna (2007), średnie wartości NHI, IE, PE i NC dla N w uprawach zbóż wyniosły odpowiednio 0,67 kg N/kg pobranego N, 90 kg ziarna/kg N w ziarnie, 134 kg ziarna/kg N w biomasie i 1,51 TP3T N w ziarnie.

Wskaźniki systemu

Wskaźniki te uwzględniają cały system upraw, w tym glebę, rośliny uprawne i środowisko. Pokazują, jak efektywnie system wykorzystuje dostępne składniki odżywcze ze wszystkich źródeł i minimalizuje straty do środowiska. Niektóre z typowych wskaźników systemu to:

1. Granica systemu NUE (SB-NUE): Jest to stosunek całkowitego N na wyjściu do całkowitego N na wejściu w obrębie określonej granicy systemu. Wskazuje on na ogólny bilans N w systemie. Wysoki wskaźnik SB-NUE oznacza wysoki N na wyjściu przy niskim N na wejściu. Nie uwzględnia on jednak zmienności przestrzennej i czasowej przepływów N w systemie.

2. Częściowy stosunek bilansu składników odżywczych (NUEPB): Jest to różnica między ilością składników odżywczych nawożonych a ilością składników odżywczych wydalanych w zebranych częściach. Wskazuje ona na zmianę netto stanu składników odżywczych gleby spowodowaną nawożeniem. Dodatni PNB oznacza nadmiar składników odżywczych nawożonych w glebie, a ujemny PNB oznacza ich niedobór. Globalne średnie NUEPB, uwzględniające nawozy, obornik, wiązanie i depozycję, wykazują wzrost do 55% dla azotu i 77% dla fosforu.

W przypadku większości zbóż, takich jak pszenica i kukurydza, naturalny proces pozyskiwania azotu (N) z powietrza (wiązanie biologiczne) zazwyczaj nie jest duży i wynosi mniej niż 10 kilogramów na hektar. Jednak w przypadku upraw takich jak ryż i trzcina cukrowa może on być nieco większy, około 15–30 kilogramów na hektar.

W przypadku niektórych roślin strączkowych, takich jak soja, orzeszki ziemne, rośliny strączkowe i rośliny pastewne, zapotrzebowanie może być jeszcze wyższe, wahając się od 100 do 300 kilogramów na hektar. Czasami, gdy podlewamy rośliny (nawadnianie), dostarczamy im również składników odżywczych, co może być istotne w określonych sytuacjach.

3. Współczynnik bilansu składników odżywczych w gospodarstwie (NUEFG)

Rozszerza granice systemu poza powierzchnię gleby, uwzględniając gospodarstwa prowadzące zintegrowaną produkcję roślinną i zwierzęcą. Włączenie zwierząt gospodarskich często obniża wskaźnik NUEFG ze względu na dodatkowe komplikacje. Poprawa wskaźnika NUEFG obejmuje optymalizację wykorzystania składników odżywczych w całym gospodarstwie, zarządzanie obornikiem i minimalizację zewnętrznych nakładów składników odżywczych.

Rozszerzając te granice, Wskaźnik Efektywności Wykorzystania Składników Odżywczych w Łańcuchu Żywnościowym (NUEFC) ocenia dostępność składników odżywczych do spożycia przez ludzi w odniesieniu do całkowitego wkładu składników odżywczych w całym systemie żywnościowym. W przypadku azotu szacunki NUEFC wahają się od 10% do 40% w krajach europejskich. Jednak ze względu na złożoność łańcucha produkcji żywności, praktyczne zastosowania i miarodajne oceny wciąż stanowią wyzwanie.

4. Nadwyżka składników odżywczych (NS): Jest to różnica między całkowitym dopływem składników odżywczych a całkowitym ich odpływem w obrębie określonych granic systemu. Wskazuje ona na potencjalną utratę składników odżywczych do środowiska. Wysoki wskaźnik NS oznacza wysokie ryzyko zanieczyszczenia środowiska.

Na przykład według globalnej analizy przeprowadzonej przez Lassaletta i in. (2014) średnie wartości SB-NUE, PNB i NS dla azotu w produkcji roślinnej wyniosły odpowiednio 0,42 kg N/kg wprowadzonego azotu, 65 kg N/ha i 65 kg N/ha.

Jak zwiększyć efektywność wykorzystania składników odżywczych, aby uzyskać lepsze rezultaty?

Odpowiedzialne odżywianie roślin to strategia zapewniająca bezpieczeństwo żywnościowe i ochronę środowiska poprzez optymalizację wykorzystania składników odżywczych w systemach rolniczych. Dlatego ważne jest monitorowanie i ocena NUE za pomocą odpowiednich narzędzi, które pozwolą uchwycić jego złożoność i zmienność. Oto kilka ważnych metod. które mogą pomóc rolnikom i badaczom udoskonalić NUE w odpowiedzialnym odżywianiu roślin.

1. Badanie składników odżywczych

Badanie składników odżywczych to metoda pomiaru stanu odżywienia próbek gleby i tkanek roślinnych. Może dostarczyć cennych informacji na temat dostępności i przyswajalności składników odżywczych w systemie gleba-roślina, a także potencjalnych strat lub niedoborów składników odżywczych. Badanie składników odżywczych może pomóc rolnikom i badaczom w:

• Określ optymalny rodzaj, dawkę, czas i rozmieszczenie składników odżywczych, takich jak nawozy, obornik, woda nawadniająca itp.
• Ocena efektywności agronomicznej i ekonomicznej różnych praktyk zarządzania składnikami odżywczymi, takich jak płodozmian, uprawa współrzędna, uprawa okrywowa itp.
• Wykrywanie i korygowanie zaburzeń lub nierównowagi składników odżywczych, które mogą mieć wpływ na plony i jakość upraw, takich jak niedobór azotu, toksyczność fosforu, niedobór mikroelementów itp.
• Monitoruj wpływ na środowisko dostarczanych składników odżywczych, np. wypłukiwanie, spływ, ulatnianie się, emisję gazów cieplarnianych itp.

Badanie składników odżywczych można przeprowadzić różnymi metodami, takimi jak zestawy do badania gleby, przenośne czujniki, analiza laboratoryjna itp. Badanie składników odżywczych nie jest jednak czynnością jednorazową. Należy je przeprowadzać regularnie i często, aby rejestrować dynamiczne zmiany w stanie odżywienia w ciągu sezonu wegetacyjnego i na różnych polach.

2. Teledetekcja i technologia

Teledetekcja to technika zbierania danych na odległość za pomocą urządzeń takich jak satelity, drony, kamery itp. Może ona dostarczać ciągłych informacji przestrzennych i czasowych na temat różnych aspektów wzrostu i rozwoju upraw, takich jak produkcja biomasy, wskaźnik powierzchni liści, zawartość chlorofilu, stres wodny itp. Teledetekcja może pomóc rolnikom w:

• Oszacuj potencjał plonów i ich zmienność na różnych polach lub w różnych regionach
• Ocena reakcji upraw na różne dawki składników odżywczych lub praktyki zarządzania
• Wykrywaj i diagnozuj niedobory składników odżywczych lub stresy, które mogą mieć wpływ na wzrost i jakość upraw
• Optymalizacja czasu i tempa stosowania składników odżywczych w oparciu o zapotrzebowanie upraw
• Zmniejsz koszty i nakład pracy związany z pobieraniem próbek i testowaniem w terenie

Teledetekcja może być prowadzona z wykorzystaniem różnych platform i czujników, takich jak optyczne, termiczne, radarowe, hiperspektralne itp. Jednak teledetekcja nie jest samodzielnym narzędziem. Powinna być kalibrowana i walidowana z wykorzystaniem danych z pomiarów terenowych lub testów składników odżywczych.

3. Modelowanie upraw

Modelowanie upraw to metoda wykorzystująca równania matematyczne do opisu i przewidywania zachowania upraw w różnych warunkach. Może ona dostarczyć ilościowych informacji na temat interakcji między uprawami, składnikami odżywczymi, glebą, wodą, klimatem i praktykami zarządzania. Modelowanie upraw może pomóc w:

• Zrozum podstawowe mechanizmy i procesy wpływające na NUE w uprawach
• Ocena wpływu różnych scenariuszy lub interwencji na wyniki NUE
• Optymalizacja projektu i realizacji eksperymentów lub prób terenowych
• Ekstrapolacja lub skalowanie wyników pomiarów terenowych lub teledetekcji na większą skalę lub regiony

Modelowanie upraw można przeprowadzić za pomocą różnych typów modeli, takich jak modele empiryczne, mechanistyczne czy hybrydowe. Jednak modelowanie upraw nie jest prostym narzędziem.

Kalibracja i walidacja modeli oraz prawidłowa interpretacja wyników wymagają dużej ilości danych i wiedzy specjalistycznej. Co więcej, modelowanie upraw powinno być stosowane w połączeniu z innymi narzędziami, takimi jak testowanie składników odżywczych czy teledetekcja, w celu weryfikacji i uzupełnienia wyników modelu.

W jaki sposób GeoPard może pomóc w zwiększeniu efektywności wykorzystania składników odżywczych?

W dążeniu do zrównoważonego i odpowiedzialnego odżywiania roślin, rola zaawansowanych technologii staje się coraz ważniejsza. GeoPard, najnowocześniejsza platforma specjalizująca się w rolnictwie precyzyjnym, oferuje pakiet usług mających na celu poprawę efektywności wykorzystania składników odżywczych (NUE) poprzez analizę danych glebowych, testowanie składników odżywczych i inteligentne rozpoznanie.

1. Analiza danych glebowych

Funkcja analizy danych glebowych GeoPard zapewnia szczegółową mapę właściwości gleby, ułatwiając tworzenie map recepturowych dla nawożenia zmiennym dawkowaniem (VRA). Ta funkcja umożliwia rolnikom:

• Zoptymalizuj nawożenie:Dostosuj stosowanie nawozów do konkretnych właściwości gleby, zapobiegając nadmiernemu nawożeniu i zmniejszając wpływ na środowisko.
• Wyznacz strefy zarządzania:Porównaj właściwości gleby z innymi warstwami i generuj pliki z zaleceniami dotyczącymi zmiennej dawki nawozu w celu efektywnego rozprowadzania składników odżywczych.
• Zaplanuj pobieranie próbek gleby:Strategiczne planowanie punktów pobierania próbek gleby w oparciu o strefy wieloletnie, odzwierciedlające historyczne wzorce rozwoju upraw.

Ponadto, dzięki pakietowi usług, system ten doskonale sprawdza się w zwiększaniu efektywności odżywiania roślin. Upraszcza interpretację danych glebowych dzięki czytelnym wizualizacjom map cieplnych, umożliwia precyzyjne nawożenie dzięki zmiennemu dawkowaniu (VRA) oraz dostarcza rzetelnych informacji o stanie gleby dzięki skanerom o wysokiej gęstości.

Ponadto, zapewnia precyzyjne wdrożenie planu nawożenia, monitoruje dane dotyczące zastosowanej i posadzonej rośliny oraz oferuje cenne mapy 3D i analizy topograficzne, ułatwiające rolnikom podejmowanie decyzji. W skrócie, GeoPard to potężne rozwiązanie do usprawnionego i zrównoważonego zarządzania odżywianiem roślin.

Wniosek

Podsumowując, efektywność wykorzystania składników odżywczych (NUE) odgrywa kluczową rolę w globalnym krajobrazie rolniczym, a jej znaczenie dla promowania optymalnego wzrostu roślin jest nie do przecenienia. Dostrzegając wieloaspektowość czynników wpływających na NUE i zróżnicowane wskaźniki w różnych systemach, oczywista staje się potrzeba strategicznych interwencji.

GeoPard odgrywa kluczową rolę w tym przedsięwzięciu, oferując innowacyjne rozwiązania usprawniające NUE. Wykorzystując przyjazne dla użytkownika funkcje, takie jak czytelne wizualizacje map cieplnych i precyzyjne nawożenie zmienne (VRA), GeoPard umożliwia rolnikom podejmowanie świadomych decyzji i usprawnianie praktyk zarządzania składnikami odżywczymi.