Jordbruket innebär en svår balans mellan livsmedelsproduktion och miljöpåverkan. Till exempel kan gödselmedel bidra till att uppnå goda skördar, men överanvändning av dem ger utsläpp av växthusgaser och föroreningar.

Vissa av dessa effekter hotar också framtida jordbruksproduktion. Utsläpp av växthusgaser bidrar till exempel till klimatförändringar och ökar sannolikheten för extrema väderhändelser.

För att upprätthålla jordbruket är det därför nödvändigt att minimera användningen av insatsvaror som gödningsmedel och stödja tillväxten av grödor på andra sätt. Ett tillvägagångssätt är att öka ekologisk funktion inom gårdar. Detta innebär att förbättra relationerna mellan olika organismer på gården, inklusive grödor, boskap, mikrober och vilda växter och djur. Att använda dessa relationer för att stödja skörden kallas "ekologisk intensifiering".

Tidigare forskning har visat att ekologisk intensifiering kan vara effektivt. Men studier har bara gjorts under korta tidsskalor på bara några år, medan effekterna av jordbruksmetoder ofta tar längre tid att bli tydliga. Variation i väder mellan åren kan skymma effekter på kort sikt och vissa ekologiska processer tar flera år att stabilisera sig.

I en nyligen genomförd studie undersökte jag och mina kollegor om långtidsstudier också stödjer ekologisk intensifiering. För att svara på detta sökte vi upp 30 långtidsexperiment från hela Europa och Afrika. Vi använde dessa experiment för att undersöka om ekologisk intensifiering kunde minska behovet av två insatser:kvävegödsel och jordbearbetning.

Vi fann att ekologisk intensifiering delvis kan ersätta gödningsmedel för att stödja skörden, eftersom både ekologisk intensifiering och gödningsmedel ökar markens näringsämnen. Så bönder kunde använda ekologisk intensifiering för att minska användningen av gödselmedel samtidigt som de bibehåller samma avkastning. Jordbrukare som redan använde låg eller ingen gödselmedel kunde öka sina skördar.

Ekologisk intensifiering kan också öka avkastningen oavsett om bönderna plöjer eller använder ingen jordbearbetning. Detta berodde på att jordbearbetning och de ekologiska metoder vi testade hade olika funktioner och bidrog till skörden på olika sätt.

Sammantaget kan ekologisk intensifiering hjälpa till att balansera livsmedelsproduktion och miljöpåverkan genom att minska hög gödselmedelsanvändning utan att minska avkastningen. Och det kan komplettera låga insatser för att öka avkastningen i fattiga, avlägsna samhällen där insatsvaror är dyra eller svåra att komma åt.

Vad vi mätte

Vi valde ut experiment som hade pågått i 10 år eller mer. Vi gjorde ett undantag för att inkludera två nio år gamla experiment för att öka representationen av småbruksmetoder i vår datauppsättning.

De 30 experimenten i vår studie testade olika metoder i en mängd olika klimat, jordtyper och jordbrukssystem. Vi letade efter vanliga trender över experiment. I synnerhet ville vi veta hur ekologiska metoder och insatsanvändning interagerar. Var det bättre att kombinera flera ekologiska metoder och insatser, eller var de mest effektiva när de användes oberoende?

Inom vår datauppsättning fanns det tre klasser av ekologiska metoder och två typer av indata som testades tillräckligt ofta för att inkludera i vår analys.

De ekologiska metoderna var:

• grödor diversifiering – roterande grödor eller plantering av olika grödor nära varandra
• inklusive fertilitetsgrödor som foder eller marktäckare snarare än baslivsmedelsgrödor
• hantering av organiskt material – som att använda kompost eller gödsel för att gödsla grödor och att behålla skörderester på fältet för att cirkulera näringsämnen.

Ekologisk intensifiering innebär att man ersätter eller utökar insatserna. Så vi jämförde effekterna på skörden av att öka de tre ekologiska metoderna mot effekterna av att minska två tillförsel:syntetiskt kvävegödselmedel och jordbearbetningsintensitet. Gödsel ger det kväve som grödor behöver för att växa, men kan också orsaka föroreningar. Intensiv jordbearbetning (eller plöjning) tar bort ogräs men kan öka jorderosionen.

Vad vi hittade

Våra resultat visade att ekologiska metoder vanligtvis ökade avkastningen när de lades till ett jordbrukssystem. Fördelarna med diversifiering av grödor, fertilitetsgrödor och tillsats av organiskt material var dock vanligtvis höga när användningen av syntetiska kvävegödselmedel var låg. Ofta var det ingen nytta när användningen av kvävegödsel var hög.

Detta visade oss att du kan använda antingen en ekologisk praxis eller en kvävegödsel för att öka avkastningen. Men om du använder båda tillsammans är effekten densamma som att använda endera.

Vi drog slutsatsen att detta beror på att metoderna och gödselmedlet har samma huvudfunktion:alla ger kväve till grödan. Gröddiversifiering och fertilitetsgrödor innebär ofta att baljväxter tillsätts systemet. Växter som bönor, ärtor och klöver fixerar atmosfäriskt kväve och tillsätter det i jorden. Gödsel och kompost frigör kväve från sönderfallande växtmaterial eller boskapsavfall.

Ibland observerade vi små extra fördelar med att använda en ekologisk praxis tillsammans med högt kväve. Till exempel ökade tillförsel av gödsel och kompost fortfarande skördarna när kvävet var högt. Annan forskning har visat att dessa organiskt material bidrar till att förbättra markstrukturen och mikrobiell aktivitet. De kan också bidra till att marken kvarhåller vatten och cirkulerar andra näringsämnen.

Att använda två ekologiska metoder tillsammans var i allmänhet fördelaktigt, eftersom var och en har olika funktioner.

På samma sätt kan användning av ekologiska metoder tillsammans med insatser öka avkastningen när deras funktioner inte överlappar varandra. Detta kan till exempel uppnås genom att använda gödningsmedel i små mängder för att fylla på de näringsämnen som tillhandahålls av ekologiska metoder.

Vi fann också att diversifiering med icke-baljväxter under högt kväve hade en avkastningsfördel. Det beror troligen på avbrott i ogräs-, skadedjurs- och sjukdomscykler.

I vår studie interagerade inte jordbearbetningen starkt med ekologiska metoder, vilket tyder på att var och en hade olika funktioner. Detta innebär att bönder kan anpassa sina bearbetningsmetoder till sin miljö oberoende av sina beslut om att använda diversifiering, fertilitetsgrödor och organiskt material.

Nettoeffekten

Ekologisk intensifiering skulle kunna vara ett sätt att fördela gödsel mer rättvist för att förbättra den globala livsmedelssäkerheten samtidigt som miljöpåverkan minimeras. För närvarande är den genomsnittliga gödselhalten i Afrika en liten bråkdel av de i Europa. Särskilt småbrukare använder mycket mindre än sin berättigade andel. För mycket gödsel ger miljöpåverkan, men för lite gödsel gör det svårt att producera tillräckligt med mat.

Andra studier har föreslagit att om användningen av gödselmedel minskar där den för närvarande är hög (som stora kommersiella gårdar i utvecklade länder), så skulle gödselmedelsanvändningen kunna ökas där den för närvarande är mycket låg (småbrukare i utvecklingsländer), utan att överbelasta de globala ekosystemen med kväveföroreningar.

Vår studie visar hur ekologisk intensifiering kan bidra till att uppnå detta. + Utforska vidare

Långtidsstudier tyder på att klimatvänliga metoder kan öka skördarna och förbättra gårdens ekosystem

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.