Ny metode til gødningsproduktion kan bedre passe til landbrugets behov i Afrika og rundt om i verden

nitrogen, fosfor, og kalium er de tre elementer, der understøtter produktiviteten af ​​alle planter, der bruges til landbrug, og er bestanddelene i handelsgødning, som landmænd bruger over hele verden.

Kalium (også kaldet kaliumchlorid) produceres stort set på den nordlige halvkugle, hvor er rigeligt. Faktisk, kaliumchloridmarkedet er domineret af nogle få producenter, stort set i Canada, Rusland, og Hviderusland. Som resultat, potaske (og gødning generelt) kan tilgås relativt billigt af landmænd i de nordlige regioner, hvor det tilfældigvis også er et tættere match til jordens næringsstofbehov på deres gårde og afgrøder.

Men det er ikke nødvendigvis tilfældet for landmænd andre steder. For tropisk voksende regioner i Brasilien og nogle lande i Afrika, forskellige jord- og stensammensætninger gør, at de ikke matcher de gødninger, der i øjeblikket er på markedet. Når disse gødninger - som er ressourcekrævende at producere - skal sendes over lange afstande for at nå forbrugere i lande på den sydlige halvkugle, omkostningerne kan skyde i vejret. Når gødningen ikke passer til jordens behov, landmænd skal muligvis tilføje mere for at opnå lige så stor gevinst som deres modparter i nord, hvis de overhovedet har råd til mere i første omgang.

Så mens disse gødninger lover højere udbytte, små og mellemstore landmænd kan stadig ende med lavere profit, højere jordsaltindhold, en hurtig reduktion i jordens samlede frugtbarhed, og øget udvaskning til grundvandet, floder, og vandløb. Dette gør det udfordrende for disse landmænd at trives, især i Afrika. Dyre eller uegnede gødninger sænker fødevareproduktionskapaciteten, påvirker landmændenes økonomiske og ernæringsmæssige selvforsyning. Nu, på et tidspunkt, hvor FN forudser, at den globale befolkning vil stige med til 8,5 milliarder i 2030 - en samlet stigning på over 1,2 milliarder mennesker - behovet for lokale, bæredygtige gødningsløsninger for at øge udbyttet er endnu mere presserende.

Imødekomme fødevaresikkerhedsbehov med mere tværfaglig forskning

Dette misforhold – og de regionale fødevaresikkerhedsimplikationer, det indebærer – var inspirationen for Antoine Allanore, lektor i metallurgi ved Institut for Materialevidenskab og Teknik ved MIT, at fokusere sin indsats på at finde alternative gødningsmaterialer. I løbet af de sidste seks år har han har bygget et forskerhold, herunder Davide Ciceri, en forsker i sit laboratorium gennem 2018.

Efter at have fordybet sig i gødningsforskning, Allanore og Ciceri har fundet den manglende opmærksomhed fra andre inden for materialevidenskab til dette emne overraskende.

"Industrien har ikke lagt sig så mange tanker om, hvad der er nødvendigt for at undersøge råmaterialerne [brugt i gødning], " siger Ciceri. "Deres produkt har virket indtil videre, og ingen har klaget, så der er lidt plads til innovation. "

Allanore tænker på det på denne måde:"Desværre, landbrug er ikke en meget rentabel mark. De tjener så lidt sammenlignet med dem, der arbejder med handel eller fødevareforarbejdning og markedsføring, hvilken, som resultat, har fået mange investeringer og opmærksomhed. På grund af denne mangel på forskningsinvesteringer, vi ved meget lidt om, hvad der sker med nogle af de elementer, vi putter i jorden."

Denne mangel på investeringer er især problematisk for landmænd i det globale syd, som ikke har en overkommelig adgang til de gødninger, der i øjeblikket er tilgængelige på markedet. Motiveret af deres ønske om at finde lokale, bæredygtige gødningsløsninger til afrikanske landmænd og drevet af J-WAFS frøfinansiering, Allanore, Ciceri, og andre medlemmer af deres forskerhold har lavet en køreplan, som materialeforskere og andre kan bruge til at udvikle en ny generation af kali-uafhængig gødning, der er egnet til afrikansk jord. Udgivet i august sidste år i tidsskriftet Videnskab om det samlede miljø , papiret, "Lokal gødning for at opnå selvforsyning med fødevarer i Afrika, " var en af ​​de første omfattende undersøgelser af brugen af ​​gødning på tværs af Afrika fra et materialevidenskabeligt perspektiv. Det indikerede et presserende behov for fremskridt inden for gødningsforskning, teknologi, og politik, og anbefalede tilgange, der kan bidrage til at opnå de udbyttegevinster, der er nødvendige for at imødekomme nuværende og fremtidig efterspørgsel bæredygtigt.

"Fra et synspunkt om materialebehandling, der er virkelig så meget at gøre med de mineralressourcer, der kræves til gødning, "siger Ciceri." Det, vi ville gøre, var at fremme en diskussion i samfundet om dette. Hvorfor forskes der ikke i nye gødningsudviklinger? Hvilke strategier kan implementeres? Er der nok markafgrødetest, der kan udføres for at understøtte, hvad kemikere kan gøre i laboratoriet? "

Mens deres papir var rettet mod materialeforskere, Allanore erkender, at der er brug for en tværfaglig tilgang. "Vi er ved at kende det fulde genom af mennesker, men vi ved endnu ikke, hvordan en afgrøde optager næringsstoffer, " siger han. Samarbejde mellem agronomer, jordforskere, materialeforskere, økonomer, og andre kan forbedre vores forståelse af alle interaktioner, materialer, og produkter, der går ind for at opnå det optimale udbytte af landbrugsafgrøder med minimal negativ indvirkning på det omgivende økosystem. Han er hurtig til at sige, imidlertid, at målet ikke er at gentage, hvad der er gjort med moderne landbrug, men gå ud over det for at finde bæredygtige løsninger, så det afrikanske kontinent kan levere sin egen mad, rentabilitet, og et anstændigt liv for de mennesker, der dyrker afgrøder.

At finde nye kilder til kalium og testresultater

Professor Allanores laboratorium har allerede opdaget et kalium-alternativ, der er afledt af kaliumfeldspat, en sten, der er almindeligt forekommende over hele verden. til Ciceri, at finde en løsning i feldspat var overraskende indlysende.

"Når vi ser tilbage på mange års forskning, Jeg var overrasket over at opdage, at ingen havde set på K-feldspat som kilde, " siger han. "Det er så rigeligt. Hvordan kunne det være, at vores forskerhold i 2015 var det første, der fik kalium ud af det?"

Og stadigvæk, det er bare hvad de har kunnet gøre. Med støtte fra et partnerskab med to brasilianske enheder, Terrativa og EMBRAPA (the Brazilian Agricultural Research Corporation), forskerholdet var i stand til at udvikle en hydrotermisk proces til at omdanne K-feldspat til et nyt gødningsmateriale. Men mens dette tidlige samarbejde hjalp forskerne med at udvikle en forståelse af feldspat og hvordan det kunne bruges som gødning til specifikke afgrøder i Brasilien, teamet havde ikke direkte kontrol eller adgang til de agronomiske forsøg.

Det var her, J-WAFS-finansiering viste sig at være støttende. Frøbevillingen fra 2017 gav forskerteamet mulighed for at foretage en uafhængig vurdering af de nye materialers befrugtningspotentiale, og også kontekstualisere deres opdagelse i en bredere samtale om global fødevaresikkerhed, som de gjorde i deres avis.

Til afgrødetestning, de begyndte med tomater, som er en af ​​de mest almindelige og økonomisk vigtige gartneriafgrøder, og rangeret blandt de mest forbrugte grøntsager i verden. Et samarbejde med Allen Barker, professor i plante- og jordvidenskab ved Stockbridge School of Agriculture ved University of Massachusetts Amherst, gjort det muligt. Barker gav drivhusplads til test, samt væsentlig ekspertise inden for agronomi, der hjalp MIT-forskerholdet med at udføre den strenge analyse af det nye materiale, der har, nu, bestemt dens effektivitet.

"Dette var et ekstremt vigtigt skridt for vores forskning, " siger Allanore. "J-WAFS-finansieringen gav os frihed til at indgå i dette samarbejde med University of Massachusetts i Amherst. Og, i modsætning til hvad der sker med virksomheds sponsorforskningsaftaler, i dette tilfælde havde vi alle åben adgang til dataene. "

Allanore er især taknemmelig for bidragene fra Barker og hans team, da testene ikke ville have været mulige uden deres deltagelse. Resultaterne af dette arbejde blev offentliggjort den 22. januar, i artiklen "Gødningsegenskaber af kaliumfeldspat ændret hydrotermisk" i tidsskriftet Kommunikation i jordbundsvidenskab og planteanalyse .

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.