Koldioxidutsläppande av jordbruk är avgörande för att USA ska nå nettonollutsläpp till 2050. En ny datadriven strategi tittar på metoder som är bra för jorden och lönsamma för bönder.

Världen förlitar sig på att amerikanska bönder gör mycket mer än att duka upp. Förutom att producera mat för människor och djur, producerar amerikanska bönder råvaror för produktion av biobränsle.

I processen att göra detta bidrar jordbruksindustrin med cirka 10 % av USA:s utsläpp av växthusgaser (GHG). Eftersom mängden mark som avsatts för jordbruk är begränsad måste bönderna hitta fler sätt att arbeta effektivt, hållbart och lönsamt samtidigt som de minskar utsläppen av växthusgaser. Med nya metoder kan bönder göra gårdar till en nettosänka av CO₂ , som hjälper USA att nå sitt mål att uppnå nettonollutsläpp till 2050.

Hållbar intensifiering är en tvådelad strategi som många tror kan hjälpa. Den försöker optimera markanvändning och förvaltningsmetoder för maximal jordbruksmarksproduktivitet samtidigt som den försöker minimera tillhörande miljöpåverkan. Tricket är att hitta den rätta balansen mellan de två målen.

Forskare som är specialiserade på modellering av agroekosystem och livscykelanalys (LCA) från Colorado State University (CSU) och U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory tog ett nytt analytiskt förhållningssätt till frågan i en nyligen genomförd studie av majs- och sojaodling i Iowa. De var medförfattare till en artikel, "A multi-product landscape life-cycle assessment approach for evaluating local climate mitigation potential," i numret av 20 juni av Journal of Cleaner Production .

"Konceptet med hållbar intensifiering av jordbruket tillämpades i mer omfattande landskapstillämpningar", säger en av artikelns medförfattare, Hoyoung Kwon, en ledande miljöforskare vid Argonnes division för energisystem och infrastrukturanalys (ESIA). "Vi övervägde produktivitet och växthusgasutsläpp, försökte optimera markförvaltningstaktik och produkter och undersökte olika avvägningar som förbättrar mark- och markproduktiviteten."

Till exempel kan bönder rensa och återanvända rester av majsskörd (eller "stover") för biobränsle, men en procentandel av stover kan finnas kvar i jorden för värdefulla näringsämnen och kolkällor för framtida grödor. Jordbrukare kan plantera täckgrödor under vintersäsongen (eller "träda") för att komplettera borttagen stover. Författarna tog hänsyn till energi, som har en utsläppskostnad för plantering av täckgrödor för att på ett holistiskt sätt ta itu med nettofördelarna med borttagning av stover och plantering av täckgrödor. Jordbrukare kan också minska hur mycket mark de odlar efter att en odlingssäsong är slut, vilket minskar sönderfallet och minskar mängden CO₂ som kommer från jorden. Bonden måste dock bruka en del av marken för att vara redo för nästa odlingssäsong.

Även om vissa bönder redan följer en eller till och med alla tre av dessa metoder, tror forskarna från Argonne att en bättre förståelse för deras inverkan kommer att motivera fler att göra det, till verklig nytta.

"Vårt synsätt ger ett helhetsperspektiv och ser på bondens perspektiv:Vilka är alla produkter som kan produceras på marken och vilka är hållbarhetsfördelarna?" sa medförfattaren Troy Hawkins, gruppledare för bränslen och produkter i Argonnes ESIA-division. "Jordbruk kan vara en riskfylld övning med låga marginaler. Lönsamhet kommer alltid att vara ett primärt fokus. Men hållbarhet har ett värde som kanske inte är känt. Hur kan vi sätta allt detta tillsammans med förändringar i markförvaltningsrutiner för att göra jordbruket mer hållbart och förbättra jordbrukarnas kostnader?"

Forskarna tittade på avvägningarna och synergierna mellan hållbar intensifiering och kolbindande bevarandeåtgärder i ett verkligt scenario. De använde två modeller – DayCent and the Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use in Technologies (GREET) LCA – för att utvärdera ett jordbruksområde uppströms Des Moines, Iowa.

DayCent-modellen representerar dagliga flöden av kol, kväve och vatten mellan atmosfären, vegetationen och marken i naturliga och jordbruksmässiga ekosystem. Forskarna förlitade sig på det för att utvärdera växthusgasutsläpp vid produktion av majs etanol och effekterna av skörd av restprodukter.

De använde GREET för att redogöra för utsläpp i samband med jordbruksverksamhet och användningen av skördad majssäd, sojabönor och majsstover som råvara för biobränsleproduktion. GREET används i stor utsträckning inom olika branscher för att utvärdera energiförbrukning, utsläpp av växthusgaser, utsläpp av luftföroreningar och vattenförbrukning i samband med biobränsleförsörjningskedjor och annan transport- och energiteknik. Medförfattare Michael Wang, Argonnes tillfälliga divisionsdirektör för energisystem och infrastruktur, är en primär arkitekt för GREET.

Enligt studien skulle skörden av 30 % av majsspisen för biobränsleproduktion öka jordbruksintäkterna, fördubbla nettolönsamheten och öka den totala biobränsleproduktionen från landskapet med 17–20 %. Borttagning av kaminen skulle också mildra växthusgaserna något, men det minskade baslinjemängden bra kol i jorden med 40 %. Som jämförelse skulle integrerade tillvägagångssätt som inkluderar vintertäcksodling och/eller minskning av jordbearbetningsintensiteten öka kolet i jorden, förbättra gårdens lönsamhet och minska fler växthusgaser.

"Vi fokuserade på majs och soja men vårt tillvägagångssätt kunde utvidgas till andra grödor," sa Hawkins. "Många gårdar idag är stora, industriella gårdar som är högteknologiska och förlitar sig mycket mer på högupplöst data. Vi vill ge lantbrukare, regionplanerare och andra inom jordbruksförvaltning ett verktyg för att beräkna hur man använder marken hållbart och får ut det mesta värdet ur marken. Detta kommer att främja både lönsamhet och miljömål."