När Hennig Brandt upptäckte grundämnet fosfor 1669, det var ett misstag. Han letade verkligen efter guld. Men hans misstag var en mycket viktig vetenskaplig upptäckt. Vad Brandt inte kunde ha insett var fosforns betydelse för jordbrukets framtid.

Fosfor är en av de nödvändiga ingredienserna för en sund växttillväxt och skörd. När gårdar var mindre och självförsörjande, bönder skördade sina skördar, och näringsämnen lämnade sällan gården. Familjen eller djuren konsumerade maten, och bonden kunde sprida gödsel från sina djur på jorden för att återuppbygga näringsämnen. Detta var en ganska sluten fosforcykel.

Men, när världens befolkning ökade, så gjorde mat och näringsbehov. Mer av en bondes skörd, och därför näringsämnen, såldes från gården. Jordbruket har anpassats genom att utveckla många nya odlingsmetoder, samt gödningsmedel. De flesta fosforgödselmedel använder världens utbud av fosfatsten som huvudingrediens. Den moderna huvudkällan är en ändlig resurs och den håller på att ta slut. Fosfatsten är också svår att bryta och bearbeta.

"Det finns ett akut behov av att öka fosforanvändningens effektivitet i agroekosystem, " säger Kimberley Schneider, en forskare med Agriculture and Agri-Food Canada. "Det finns många kemikalier, fysiska och biologiska processer som påverkar tillgången på fosfor till grödor." Det är därför bönder lägger stor vikt vid att ha tillräckligt med fosfor för sina grödor.

Växtförädling och val av sorter

Olika växter kan använda fosfor mer effektivt än andra. "Fosforanvändningseffektivitet är förmågan att ge mer skörd per enhet fosfor som tas upp av växten, " förklarar Schneider. "Det finns potential för växtförädlare att utveckla nya sorter som använder fosfor på ännu mer effektiva sätt. De kan också föda upp grödor som arbetar med mykorrhizasvampar i jorden för att hjälpa till att öka deras fosforabsorption. Att fokusera på förädling av växter som fungerar bra i jordar med låg fosfor kommer att ta ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt."

Utformning av odlingssystem och effektivitet av fosforanvändning

Eftersom vissa grödor kan öka markens fosfortillgång för framtida grödor, odlare skulle kunna fokusera på växtföljder som drar fördel av detta. Täckgrödor och gröngödsel kan också bidra till fosfortillgången under många förhållanden. Till exempel, en studie fann att sorghum klarade sig bra med fosforanvändning efter alfalfa eller rödklöver, men inte efter sötklöver. Att få rätt kombinationer för rätt grödor och fält kommer att vara viktigt.

Jordens organiska material roll i mineralisering av fosfor

Det är känt att organiskt material i jorden indikerar markens hälsa. Det kan förbättra tillgången på växtfosfor genom att möjliggöra större rottillgång till fosfor och genom att frigöra växttillgänglig fosfor. För närvarande, organiskt material i marken ingår inte i markens bördighetsmätningar på gårdar, så detta är ett område med framtida forskningspotential.

Naturligt förekommande jordsvampar till undsättning

Många jordar innehåller en eller flera typer av vänliga svampar som kallas arbuscular mycorrhiza svampar. De arbetar med växtrötter för att utbyta "livssysslor". Svamparna hjälper till att frigöra fosfor och andra näringsämnen, medan växterna gör sockerföreningar som svamparna använder för tillväxt. Självklart, svamparna och rötterna måste kunna vara nära varandra för att detta utbyte ska ske. Forskare tittar på löftet om att bygga upp och bättre utnyttja mykorrhizasvamppopulationer i jordar.

Återvinning och återvinning av fosfor

Fosfor är det sjätte vanligaste grundämnet på jorden. Än, det är en begränsande faktor för skörden. Överskott av fosfor på fel ställe – bäckar, sjöar och andra vattendrag — orsakar föroreningar. Hur kom detta till?

Låt oss spåra "livscykeln" för en fosformolekyl. Det mesta fosfatberget bryts på kontinenterna i Europa och Afrika, även om vissa insättningar är tillgängliga på annat håll. Efter att det gjorts till gödningsmedel, denna fosfor flyttas sedan till gårdar. Därifrån, fosforn används av en växt för att göra en produkt, kanske en sojaböna. Sojabönan tas bort från gården och tillverkas till tofu. Det transporteras sedan till din lokala livsmedelsbutik, där du köper den och tar med den hem. Om du bor i en stad, efter att du njutit av din måltid med stekt tofu, avfallet din kropp producerar spolar ner i toaletten. Om du bor på landsbygden, det går in i det septiska systemet.

Således, livscykeln för denna illustrativa fosformolekyl visar en bruten cykel. Molekylen har sitt ursprung långt borta från sin sista viloplats. På grund av det moderna livet, fosforkretsloppet som tidigare fanns på gårdar är brutet. Ju mer stadssamhället blir, desto mer bruten är fosforcykeln – om inte forskare kommer på svar för att stänga slingorna igen.

Jordbruksforskare arbetar med avloppsvattenförvaltare för att utveckla sätt att sätta de förtjänta fosformolekylerna tillbaka i arbete på gården. "Medan de flesta för närvarande tillgängliga fosforåtervinningstekniker kanske inte verkar ekonomiskt lönsamma, de miljömässiga och sociala fördelarna är viktiga, " säger Schneider. "Det finns också andra värdefulla produkter av fosforåtervinning, såsom organiskt material, andra näringsämnen, och till och med vatten."

"Att öka effektiviteten av fosforanvändningen i agroekosystem måste vara en prioritet för att minska beroendet av gödningsmedel och för att minimera effekterna på miljön, ", säger Schneider. "Det finns många möjligheter för jordbrukssystemet att förbättra användningen av fosfor. Resultatet kommer att bli ett agroekosystem som fortfarande föder världen, samtidigt som vi skyddar naturresurserna som hjälper oss att odla vår mat och leva hälsosamma liv."

Den här artikeln publicerades nyligen i ett speciellt avsnitt i Journal of Environmental Quality kallat Firar 350-årsjubileet av upptäckten av fosfor — på gott och ont.