Dagens jordbruk står inför två stora dilemman:hur man producerar tillräckligt med mat för att föda den växande mänskliga befolkningen och hur man minimerar miljöskador i samband med intensivt jordbruk. Att hålla mer kväve i marken som ammonium kan vara ett viktigt sätt att ta itu med båda utmaningarna, enligt en ny tidning i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) .

Dagens användning av kvävegödsel bidrar kraftigt till utsläppen av växthusgaser, luftförorening, och vattenföroreningar, men de är också viktiga för att odla grödor. Att minska denna förorening är avgörande, men kväveanvändningen kommer sannolikt att växa med ökad livsmedelsproduktion. På samma gång, världens mänskliga befolkning ökar, och jordbruket behöver effektivt producera tillräckligt med mat för att föda alla utan att behöva röja mer skog för jordbruk.

Förr, bönder har lyckats öka livsmedelsproduktionen genom att lägga till mer kvävegödselmedel till sina jordbruksmarker, men att göra det är inte längre en hållbar eller acceptabel lösning. Istället, bönder bör överväga att gå över till en blandning av nitrat och ammonium, forskarna hävdar, vilket kan minska föroreningar och öka livsmedelsproduktionen. Ammonium, en form av kväve, binder till jorden och är därför mindre benägen att läcka ut i vattendrag.

"Nuvarande gödningssystem förorenar, ineffektiv, och skadligt för ekosystemens hälsa, " sa pappersmedförfattaren Guntur Subbarao, en senior forskare vid Japan International Research Centre for Agricultural Sciences (JIRCAS). "Om jordbruket kan övergå från att helt förlita sig på nitrat i marken till ett system med en blandning av nitrat och ammonium, det kan få långtgående konsekvenser när det gäller att begränsa kväveföroreningar samtidigt som skördarna ökar."

"Nya verktyg för att bibehålla mer befintligt markkväve i form av ammonium kan också möjliggöra urval av grödor som uppnår högre avkastning genom en blandning av kväveformer, " sa medförfattaren Tim Searchinger, en senior forskare vid Centrum för politisk forskning om energi och miljö, som är baserad på Princeton Universitys School of Public and International Affairs. "Möjligheterna finns för en dubbel nytta som minskar kväveföroreningar, inklusive utsläpp av växthusgaser, och hjälper världen att rädda skog genom att producera betydligt mer mat på samma mark."

De flesta strategier för att mildra kväveföroreningar är beroende av att begränsa föroreningarna vid "fronten" - genom att försöka mer noggrant applicera gödningsmedel. Dock, författarna förklarar att oavsett hur noggrant gödselmedel appliceras, det finns alltid ett läckage av kväve i "baksidan". Detta läckage uppstår eftersom jordkväve i odlingsmarker snabbt förvandlas till nitrat, en form av kväve som lätt läcker ut i grundvatten och vattendrag och vars nedbrytning frigör lustgas, en kraftfull växthusgas.

Det är här ammonium kommer in, säger författarna. Det bryts inte ned till dikväveoxid om det inte först omvandlas till nitrat. Artikeln visar att medan höga halter av ammonium är giftiga för de flesta växter, en lite uppskattad forskningslinje har visat att en blandning av nitrat och ammonium tenderar att öka skördarna avsevärt, till och med med 50 % eller mer, jämfört med de vanliga markförhållandena idag som nästan bara består av nitrat.

Detta akademiska fynd var irrelevant tills nyligen eftersom mikroorganismer i odlingsfält snabbt omvandlar kväve till nitrat i en process som kallas nitrifikation. Dock, författarna identifierar två nya sätt att hålla en större balans av kväveformer i jordar. En är att använda syntetiska nitrifikationshämmare med beläggningar för att begränsa nitrifikation under längre perioder. Den andra är att dra fördel av vissa växters naturliga förmåga att förhindra nitrifikation. En växtegenskap som hindrar mikrober från att omvandla ammonium till nitrat upptäcktes först i ett vanligt planterat tropiskt gräs, men forskare har nyligen börjat förädla sorter av alla de större kornen, som vete, att ha denna fastighet.

Genom att odla växter som drar nytta av ammonium och som hjälper till att hålla kvar ammonium i jorden genom att hämma nitrifikation, bönder, vetenskapsmän, och beslutsfattare kan effektivt öka livsmedelsproduktionen samtidigt som miljöförstöringen minimeras. Författarna rekommenderar ytterligare forskningsinsatser, eftersom det för närvarande inte finns något storskaligt finansieringsstöd för dessa insatser. De rekommenderar också policyer som flyttar gödselmedelssubventioner mot gödselmedelsformer eller grödor som hämmar nitrifikation.

"En viktig fördel med denna forskning är att när dessa sorter väl har skapats, alla bönder runt om i världen borde kunna använda dem utan extra kostnad och med fördelen av högre avkastning, sa Subbarao.