Nitrogen-Enriched Organic fertilizer's (NEO) effects on crop yields, soil functions, and species

Abstract

I en tid med befolkningsvekst, økende matpriser, knapphet på dyrkbar jord og store miljøutfordringer, kreves det nytenkning. Til dette hører innovative gjødselprodukter med minimal miljøpåvirkning, som sammen med andre tiltak kan bidra til økt matproduksjon samtidig som produksjonssystemets bærekraft ivaretas. Nitrogenberiket organisk gjødsel (NEO) produseres ved hjelp av en ny metode, der nitrogengass (N2) fanges fra luften og gjennom en plasmaprosess går over til nitrat (NO3 - ) og nitritt (NO2 - ), som deretter kan blandes med biobaserte gjødselstoffer som husdyrgjødsel eller biorest. En grundig testing av NEO er nødvendig for å avdekke eventuelle skadelige effekter på jord, planter og miljø før det lansers på verdensmarkedet. Vårt bidrag i denne sammenheng har vært å undersøke effektene på jordfauna-aktivitet (målt som nedbrytning av et gitt substrat) og på forekomst av nøkkelarter i jord (spretthaler og meitemark), samt på viktige prosesser som nitrifikasjon og næringsopptak (avling). Forskningen omfattet forsøk i felt vekstkammer og laboratorie, og med varierte eksperimentelle oppsett. Forskjellige gjødselregimer ble benyttet, inkludert mineralgjødsel, NEO, ubehandlet organisk gjødsel og ingen gjødsel. Når det gjelder jordfauna-aktivitet var det uoverensstemmelser mellom våre to studier, men så vi en tendens til økt aktivitet i ubehandlet jord eller ved de laveste gjødselmengdene, og dette var uavhengig av gjødseltype. Dette utjevnet seg riktignok kun få uker etter tilførsel. Videre viste NEO og de andre gjødselregimene ingen skadelige effekter, hverken på meitemark eller på spretthaler. Hva gjaldt jordas nitrifikasjonspotensiale så ble det observert økt nitrifikasjon kort tid etter tilførsel av NEO, men dette vedvarte ikke. Etter seks måneder var det ingen forskjell mellom NEO og de andre gjødslingene. Når det gjaldt næringsopptak og plantevekst registrerte vi noe lavere avling etter tilførsel av NEO sammenlignet med mineralgjødsel med tilsvarende næringsinnhold. Samme resultat ble observert i feltforsøkene hvor NEO viste i størrelsesorden 20% lavere avling enn mineralgjødsel med tilsvarende næringsinnhold. Sammenlignet med ubehandlet husdyrgjødsel ga derimot NEO 20-30% høyere avling. Dette viser en betydelig avlingseffekt av plasmabehandlingen. Dette er oppnådd utelukkende ved å bruke elektrisitet og husdyrgjødsel som innsatsfaktorer. Kort sagt fant vi ingen skadelige effekter av NEO på nøkkelarter og viktige funksjoner i jorda, samtidig som avlingene økte sammenlignet med ubehandlet husdyrgjødsel. Våre forskningsresultater viser derfor at NEO representerer et verdifullt bidrag, selv om dette er bare en liten del av hva som må gjøres for å endre de globale matproduksjonssystemer i bærekraftig retning.

Abstract: In an era of population growth, increasing food prices, scarcity of arable land, and environmental degradation of farmlands, demand for novel solutions has emerged. This entails introducing innovative fertilizer products designed to mitigate their environmental footprint. Synergized with complementary strategies, these innovations can bolster food production while safeguarding the food production system's sustainability. Nitrogen Enriched Organic fertilizer (NEO) is produced using a new method, where dinitrogen (N2) is captured from the air and through a plasma process mixed with bio-based fertilizers as nitrate (NO3 - ) and nitrite (NO2 - ). However, a thorough product assessment is necessary to unveil potential adverse effects before introducing it to the global markets. In this context, our research has centered on examining the fertilizer's impact on soil fauna activity (measured through substrate breakdown), the abundance of key soil species (springtails and earthworms), as well as critical processes like nitrification and nutrient uptake (yield). Different fertilization regimes were employed, including mineral fertilizer, NEO, untreated biobased fertilizers, and no fertilizer across various experimental setups. Regarding soil fauna feeding activity, there were discrepancies between our two studies. However, we observed a tendency for higher feeding activity in unfertilized soil or under lower fertilization amounts, irrespective of fertilizer type. However, the initial perturbative effect of fertilization on soil fauna feeding activity subsided within a few weeks after application. Likewise, NEO and other fertilizers demonstrated no detrimental effects on the abundance and weight of earthworms or the abundance of springtails. The study also investigated the impact of NEO on soil nitrification potential and observed that although NEO initially stimulated nitrification rates in controlled settings, this effect did not persist ≈ six months after fertilization in the field. Concerning crop yields, while yielding slightly less grass than mineral fertilizers under controlled conditions with equivalent N-min input, NEO exhibited a grain yield approximately 20% lower than mineral fertilizer in the field. Albeit, NEO unveiled an advantage, yielding 20–30% more than the original cattle slurry supply. This signifies a noteworthy enhancement in crop productivity, achieved solely through using electricity and cattle slurry as inputs. In brief, the explorations did not detect any harmful effects of NEO on soil functions and key species, while improved crop yields than the feedstock from which it was derived. Thus, our research findings demonstrate that NEO constitutes a meaningful contribution despite its incremental role in transitioning global food production systems toward sustainability.