Hvordan afgrøder året rundt kan reducere landbrugsforureningen i Mississippi-floden

Don Wyses mark med vinterbyg plejede at være for det meste tom om foråret.

For otte år siden ville blot en tiendedel af kornet overleve vinteren i denne forsøgsmark i St. Paul. Men i år, efter gentagne gange at have forfinet plantens genetik, var marken flad med svajende, bleggule kornhoveder.

Vinteren er den første forhindring, som forskere ved University of Minnesota's Forever Green Initiative skal rydde, når de forsøger at avle nye afgrøder, der kan dække landbrugsmarker året rundt - og i processen hjælpe vandkvaliteten i hele staten.

I årevis har Minnesota kæmpet for at reducere landbrugsforurening fra gødning og andre kilder, der løber ud i vandløb, søer, Mississippi-floden og i sidste ende Den Mexicanske Golf.

Wyse, en afgrødeforsker, der grundlagde og nu er medleder for Forever Green, sagde, at han i årevis så al finansieringen til forskning i landbrugsforurening til at beskrive problemet. "Der var ikke den store investering i løsninger."

Så afgrødeavlere hos Forever Green arbejder på 16 flerårige og årlige vinterafgrøder for at suge den næringsstofforurening op, før den slipper ud. Fødevareforskere og marketingfolk med programmet forsøger at udvikle anvendelser for disse afgrøder og forhåbentlig give landmændene nye indtægter.

Flerårige afgrøder er ikke en ny idé - grupper som nonprofit Land Institute i Salina, Kansas, har promoveret konceptet i årtier. Det har varemærket for Kernza, et flerårigt korn, det udvikler i samarbejde med Forever Green-forskere.

Men der er stadig udfordringer i hønen-eller-æg-problemet med at udvikle et marked for disse afgrøder. For at afgrøderne kan bruges i produkter i stor skala, skal der være meget produktion; men for at bønderne kan satse på dem, skal de være overbevist om, at der er et marked.

Båret i vandet

På de frugtbare marker i Midtvesten dominerer majs og sojabønner:De to årlige afgrøder dækkede 63 % af Minnesotas 25 millioner landbrugsarealer i 2021, ifølge det amerikanske landbrugsministerium. I andre stater er andelen endnu højere – de dækker 76 % af landbrugsjorden i Iowa og 80 % i Illinois.

I disse rækkeafgrøder dyrker og planter landmændene typisk frø om foråret, høster om efteråret og lader jorden stå bar indtil næste vækstsæson.

Faldende regn skyller let næringsstoffer ud af disse brakmarker og ud i nærliggende vandveje. Fosfor, der flyder med eroderende landbrugsjord, fodrer alger i Minnesotas søer; kvælstof siver ned i grundvandet og forurener landdistrikternes vandbrønde.

"Det er dette onde problem, der kvæler vores floder," sagde Whitney Clark, administrerende direktør for Friends of the Mississippi River. Der er "for mange hektar med utætte, årlige rækkeafgrøder."

Kvælstof bevæger sig ned ad Mississippi-floden til den Mexicanske Golf, hvor det hjælper med at give næring til en årlig algeeksplosion og afdød, der suger ilt fra vandet, hvilket forårsager en massiv "død zone". I år forudsagde National Oceanic and Atmospheric Administration, at den døde zone ville være 5.364 kvadratkilometer, næsten på størrelse med Connecticut.

Den seneste handlingsplan for at formindske denne døde zone, fra 2008, anbefalede hver stat langs flodbassinet at reducere dens nitrogen- og fosforforurening med 45 %. Men niveauerne forbliver høje.

David Wall, en forsker ved Minnesota Pollution Control Agency, sagde, at staten har reduceret fosformængderne med mellem 20 og 35 %, hovedsageligt fra forbedring af spildevandsrensningsanlæg og nogle foranstaltninger til forvaltning af afgrødejord.

Men nitrogenniveauerne er forblevet de samme, eller i nogle tilfælde steget, sagde Wall.

En løsning er at holde planterødder i jorden længere, hvor de vil stabilisere jorden og suge kvælstof op, før det slipper ud.

Kernza-en tyk, græslignende plante-producerer godt i omkring tre år, dukker op af jorden hvert forår og modnes til høst i sensommeren eller efteråret. Ved at forblive på plads året rundt har peer-reviewed forskning fra Forever Green vist, at den fanger 99 % af det nitrogen, der ellers ville undslippe sammenlignet med enårig majs.

"Den eneste måde at forhindre nitrogen i at skylle gennem jorden er ved at få rødder til at opsnappe det nitrogen," sagde Lee DeHaan, ledende videnskabsmand for Kernza-domestisering med Land Institute.

Men Kernza-planter producerer kun 20 % af, hvad hvedeplanter laver på det samme areal i Kansas felttest, sagde DeHaan.

I feltet

På U's marker i St. Paul arbejder opdrættere på at løse det problem. Forskere indsamlede møjsommeligt pollen fra flerårige planter og påførte det på traditionel, enårig hvede. Hybriderne vokser nu, og håbet er, at de både vil have Kernzas flerårige kvaliteter og de højere kornmængder af almindelig hvede.

Succes eller fiasko vil ikke være synlig før næste forår, sagde Wyse. Kun hvis de dukker op igen, vil opdrættere vide, om planterne virkelig er flerårige.

Tag pennycress, et almindeligt ukrudt ved vejen, som plantebiolog og forædler David Marks forsøger at gøre til en vigtig vinterafgrøde. Marks er så optimistisk med hensyn til potentialet for pennycress til at producere spiselige frø, at han får plantens lysegrønne lighed tatoveret på sin venstre underarm.

Marks har masser at gøre for at gøre afgrøden klar til markedet. De flade, cirkulære frøstande skal gøres mere holdbare, så de ikke splintres op før høst; tykke frøskaller skal fortyndes, så vildfarne frø ikke overlever i jorden længere, end en landmand måske vil have dem der; og farligt at indtage erucasyre skal fjernes fra frøolierne.

Marks sagde, at afgrødens potentiale som en etårig vinter ikke kun forhindrer gødning i at komme i vandet, men også udvider det voksende vindue på et tidspunkt, hvor pandemien og krigen i Ukraine har foruroliget kloden.

Marks sagde, at han bekymrer sig om, at den næste forstyrrelse "vil være en trussel mod vores fødevaresikkerhed. Jeg tænker på fremtiden, hvad der kommer næste gang."

Opbygning af markedet

Af alle Forever Greens afgrøder er Kernza måske den mest kendte – og den tættest på at blive lavet om til forbrugerprodukter.

For at disse afgrøder skal gøre en forskel, skal de adopteres i stor skala, sagde Wyse.

"Vi er nødt til at have store markeder for at få nok af disse planter på landskabet for at beskytte Mississippi-floden," sagde Wyse.

Der er nogle få produkter på markedet lige nu, som en Kernza-korn, der sælges i Whole Foods-butikker af Cascadian Farm, et General Mills-mærke.

Men landmændene sagde, at den Kernza, de dyrker, ikke sælges så hurtigt som andre afgrøder.

Nogle statslige penge er for nylig blevet budgetteret til at hjælpe med denne opskalering. Ud over 763.000 USD i finansiering til afgrødeavl har en todelt gruppe af Minnesota-lovgivere i år tildelt 500.000 USD til at hjælpe med at finansiere forsyningskædevirksomheder, der tager kornet fra marker til butikshylder.

At udvikle forsyningskæden har krævet intenst arbejde, sagde Christopher Abbott, præsidenten for Perennial Pantry. Opstarten er fokuseret på at sælge fødevarer, der bruger flerårige og dækafgrøder.

Kernza skal gennemgå omfattende rengøring efter høst, hvilket tager omkring 10 gange længere tid end konventionel hvede, sagde Abbott. Derefter skulle hans firma eksperimentere med, hvordan man bruger kornet, som har et højere forhold mellem klid og stivelse end anden hvede.

Et af Abbotts yndlingsprodukter er en Kernza-cracker, som han beskrev som smøragtig og skællet. Det tog 80 gentagelser at få det rigtige, sagde han.

Tidlige brugere af afgrøden er ivrige efter at få beplantningen til at fungere.

Anne Schwagerl, en landmand i det vestlige Minnesota nær Beardsley, sagde, at hendes Kernza-afgrøde har krævet nogle justeringer. Schwagerl, der plantede 40 hektar Kernza i 2020, sagde, at høst nu tager to omgange; hvedegræsset skal skæres en fod fra jorden og derefter tørres på marken i et par dage, før det kan samles.

Schwagerl sagde, at det nye korn passer godt i hendes økologiske drift, som også dyrker sojabønner, majs, rug, havre og en anden Forever Green-afgrøde, vinter camelina.

Men på grund af det nye marked var hun ikke i stand til at sælge det korn, hun først høstede i efteråret 2021, før det følgende forår.

"Kernza, vi var nødt til at opbevare meget længere tid end med vores majs-, soja- eller havreafgrøde," sagde hun.

Der har også været fordele. Dette forår kæmpede landmændene for at få deres frø i jorden i store dele af staten, da den kolde, våde årstid forsinkede plantningen.

Schwagerl behøvede ikke at bekymre sig om plantning; hendes Kernza-græs var der allerede, med rødder flere meter dybe.