Forskerholdet udvikler nyt værktøj til at hjælpe landmænd med at træffe beslutninger om input af afgrøder

Reduktion af drivhusgasemissioner (GHG'er) og nitrogenvandforurening fra landbruget er top miljøprioriteter i USA. Nøglen til at nå klimamålene er at hjælpe producenter med at navigere på CO2-markeder, samtidig med at det hjælper miljøet og forbedrer landbrugets indkomst.

Et nyt værktøj udviklet af et forskerhold fra University of Minnesota giver landmændene mulighed for at oprette en budgetbalance over alle planer for nitrogenreduktion og se de økonomiske og miljømæssige omkostninger, afkast og marginer, alt sammen tilpasset til felter under deres ledelse.

"Med disse tal i tankerne, landmænd kan træffe mere informerede beslutninger om nitrogenreduktion, som ikke kun sparer dem penge, men reducerer også væsentligt forurenende stoffer til miljøet, " sagde Zhenong Jin, der ledede forskningen og er adjunkt i Institut for Bioprodukter og Biosystemteknik (BBE) i College of Food, Landbrugs- og naturressourcevidenskab (CFANS).

Tidligere værktøjer tillod ikke tilpassede forudsigelser for hvert felt i det amerikanske majsbælte, da beregnings- og lageromkostningerne ved at køre disse afgrødemodeller i stor skala ville være meget dyre.

Som beskrevet i en artikel offentliggjort i IOPscience , forskerholdet byggede en serie af maskinlæringsbaserede metamodeller, der næsten perfekt kan efterligne en velafprøvet afgrødemodel ved meget hurtigere hastigheder. Ved at bruge metamodellerne, de genererede millioner af scenarie-simuleringer og undersøgte to grundlæggende bæredygtighedsspørgsmål – hvor er afbødnings-hotspotsene, og hvor meget afbødning der kan forventes under forskellige forvaltningsscenarier.

"Vi syntetiserede fire simulerede indikatorer for agroøkosystemers bæredygtighed - udbytte, N ₂ O emissioner, nitrogenudvaskning, og ændringer i jordens organiske kulstof - til økonomiske netto samfundsmæssige fordele som grundlag for at identificere hotspots og umulige arealer til afbødning, " sagde Taegon Kim, CFANS forskningsassistent i BBE-afdelingen. De samfundsmæssige fordele omfatter omkostningsbesparelser fra drivhusgasreduktion, samt forbedret vand- og luftkvalitet.

"Ved at levere vigtige bæredygtighedsindikatorer relateret til opstrøms afgrødeproduktion, vores metamodeller kan være et nyttigt værktøj for fødevarevirksomheder til at kvantificere emissionerne i deres forsyningskæde og skelne afbødningsmuligheder for at sætte bæredygtighedsmål, " sagde Timothy Smith, professor i Sustainable Systems Management og International Business Management i CFANS's BBE-afdeling.

Studiet, udført i det amerikanske midtvestens majsbælte, fandt det:

• Reduktion af kvælstofgødning med 10 % fører til 9,8 % mindre N ₂ O-emissioner og 9,6 % mindre nitrogenudvaskning, på bekostning af 4,9 % mere udtømning af organisk kulstof i jorden, men kun en udbyttereduktion på 0,6 % i forhold til undersøgelsesregionen.
• De anslåede netto samlede årlige sociale ydelser er værd $395 millioner (usikkerhed varierer fra $114 millioner til næsten $1,3 milliarder), herunder en besparelse på $334 millioner ved at undgå drivhusgasemissioner og vandforurening, 100 millioner dollars ved at bruge mindre gødning, og en negativ 40 millioner dollars på grund af udbyttetab.
• Mere end 50 % af de sociale nettoydelser kommer fra 20 % af studieområderne, som dermed kan ses som hot spots, hvor handlinger bør prioriteres.

"Vores analyse afslørede hot spots, hvor overdreven nitrogengødning kan skæres uden udbyttestraf, " sagde Jin. "Vi har nogle steder bemærket, at en reduktion af nitrogenrelateret forurening koster det at udtømme organisk kulstof i jorden, tyder på, at andre regenerative metoder, såsom dækbeskæring, skal kombineres med nitrogenhåndtering."

I fremtiden, holdet vil udvide rammerne præsenteret i denne undersøgelse og udvikle mere avancerede og nøjagtige kulstofkvalifikationsmodeller gennem en kombination af procesbaserede modeller, kunstig intelligens og fjernmåling.