Bönder kan inte förutsäga sin årliga majsskörd med säkerhet, men med hjälp av ny forskning från Michigan State University, de kan nu peka ut specifika delar av sina fält som konsekvent ger antingen bra eller dålig avkastning. Detta kommer inte bara att spara tid och pengar; det kommer att lösa ett av de mest utbredda miljöproblem som växtproducerande regioner står inför – kväveförlust.

"Det här är första gången någon har kunnat kvantifiera hur mycket småskalig avkastningsvariation det finns i USA:s majsbälte, sa Bruno Basso, MSU professor i ekosystemvetenskap och huvudförfattare till studien. "Våra resultat gör det möjligt för bönder att veta exakt vilka delar av deras gårdsfält som har stabil avkastning - vilket gör att de bättre kan hantera sina variabla fält för att spara pengar, minska gödselförlusterna och minska utsläppen av växthusgaser."

Basso och hans MSU-medförfattare – Guanyuan Shuai, Jinshui Zhang och Phil Robertson - upptäckte att nästan alla fält har vissa områden med konsekvent låga eller höga skördar, vilket innebär att mycket av gödseln som tillsätts till lågavkastande områden kommer att gå oanvända och gå förlorad för miljön. På samma gång, oanvänt kväve går förlorat till miljön snarare än att det tas upp av grödan. Studien visar att förlorat kväve från 10 delstater i Mellanvästern uppgår till nästan 1 miljard dollar av bortkastade gödselmedel och 6,8 miljoner ton växthusgasutsläpp årligen.

Forskningen, publiceras i Vetenskapliga rapporter , är först med att kvantifiera kväveförluster från de lågproducerande områdena på enskilda fält. Bassos team använde satellitbilder för att mäta åtta års sub-yield-fält för 70 miljoner hektar jordbruksmark i Mellanvästern. Analysen gav forskarna en fint löst bild av hela Mellanvästerns majsproduktion, sa Basso.

För att validera satellitbilderna jämförde teamet satellitdata med 10 års högupplösta avkastningsdata som samlats in av sensorer monterade på skördetröskor från mer än 1, 000 gårdar.

"Vi färgkodade pixlar i bilderna för att se var skörden var stabil och högavkastande, där det var stabilt och lågavkastande och där det var instabilt från år till år, " sa Basso. "Totalt, cirka 50 % av de delfältsområden vi analyserade var stabila och högavkastande. De underpresterande och instabila områdena representerade vardera cirka 25 % av den totala jordbruksmarken."

Genom att bedöma hur mycket Corn Belt-bönder spenderar på gödselmedel som inte används, författarna drog slutsatsen att det bästa resultatet – både för jordbrukare och miljön – är att undvika att gödsla de underpresterande områdena på varje åker. Faktiskt, Basso sa, det kan vara bättre ur ekonomisk synvinkel att lämna dessa områden obrukade, att plantera dem med bevarande gräs eller i framtiden, med fleråriga bioenergigrödor.

Hur som helst, Basso sa att tid och resurser borde fokuseras på att odla de delar av fälten som är högavkastande eller som är instabila - högavkastande vissa år, lågavkastande andra. De instabila områdena kan fortfarande hanteras bra med noggrann säsongshantering av kvävegödsel, han sa.

"Genom att sätta big data till hållbarhetens tjänst, vi kan nu förse jordbrukare med en receptkarta (Rx) över kvävegödselmedel för deras åkrar, som helt kan förändra hur och var de fokuserar sina ansträngningar, ", sa Basso. "Bönder vill vara goda miljöförvaltare, och dessa fynd ger dem ytterligare ett sätt att göra det – att undvika övergödsling av områden på fält som kommer att förlora mest kväve till grundvattnet, floder och bäckar. Ingen vinner när gödsel slösas bort på områden som inte kommer att producera. När bönderna väl har identifierat dessa områden, de kan både spara pengar och hjälpa miljön."

Arbetet utfördes i en mängd olika geografiska skalor, sträcker sig från småskalig forskning vid Kellogg Biological Station Long-Term Ecological Research webbplats till enskilda gårdar i regionen till slutligen hela Mellanvästern.

"Arbetet visar att övergödsling av konsekvent lågavkastande odlingsmarker är mycket kostsamt för industrin och erbjuder ett värdefullt tillvägagångssätt för att uppfylla jordbruksindustrins mål om precisionshantering av kväve. Viktigt, vad som är bäst för bönder är också bäst för miljön, sa Colette St. Mary, en chef för National Science Foundations långsiktiga ekologiska forskningsprogram.

"Fynden ger praktiska rekommendationer baserade på en övertygande komplett datamängd i kombination med fjärranalys för att övertyga bönder om att matchning av låg skörd från stabila områden med låg avkastning kan eliminera säsongsbetonade överskott av reaktivt kväve, sade Jim Dobrowolski, Nationell programledare för vatten vid USDA-NIFA. "Med denna forskning, MSU:s team hjälper bondens resultat, samtidigt som utsläppen av växthusgaser minskar och vattenkvaliteten bibehålls. Det är en "vinn-vinn-vinn"-lösning."