Farmwise – jak chronić wodę w glebie?

FARMWISE to projekt finansowany przez Unię Europejską, realizowany we współpracy z partnerami zagranicznymi m.in. ze Szwecji. Łącznie uczestniczy w nim 20 podmiotów z 12 krajów, w tym Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu.

Projekt FARMWISE, realizowany w ramach europejskiego programu Horyzont Europa, dotyczy przyszłościowego zarządzania zasobami rolniczymi i innowacji w zakresie wody na rzecz zrównoważonej Europy. Znaczenie tego projektu jego uczestnicy tłumaczą wprost – w dobie ciągłego wzrostu liczby ludności, a wraz z nim zwiększającym się zapotrzebowaniem na żywność, wodę i energię, produkcja rolna stoi przed wyzwaniem, od którego zależy bezpieczeństwo kolejnych pokoleń. „Poprzez ciągły rozwój sięgamy barier surowcowych jakie ma nam do zaoferowania nasza planeta. Chcąc stale się rozwijać optymalizujemy procesy produkcji żywności tak aby zwiększać produkcję w sposób jak najbardziej efektywny. Wskutek tego zaburzamy zrównoważony rozwój zapominając o otaczającym nas środowisku, ponieważ tu i teraz musimy zaspokoić zapotrzebowanie ludności na pożywienie. Rolnicy chcąc sprostać tym wyzwaniom zmuszeni są nawozić swoje uprawy, chronić je przed różnego rodzaju chorobami oraz długotrwałymi suszami. Niestety, takie działania mają negatywny skutek na środowisko, który prowadzi do zaburzenia lokalnych ekosystemów do tego stopnia, że skutki tych zmian są często nieodwracalne” – można przeczytać w opisie projektu.

Obieg wody w rolnictwie

Jak podkreśla dr Wiesław Fiałkiewicz, pomysł na udział w projekcie FARMWISE swoje źródło ma w projekcie realizowanym wcześniej – WATERAGRI. Naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego szukali czegoś, co będzie kontynuacją już podjętych działań. I wtedy okazało się, że Komisja Europejska ogłosiła nowy konkurs. Badacze z UPWr przystąpili do niego zakładając, że zaproponują ten sam obiekt badawczy, tym bardziej, że w projekcie WATERAGRI opracowali model hydrologiczny, który od początku zamierzali rozwijać w kolejnych badaniach, wprowadzając do niego kolejne innowacje. To model numeryczny zlewni, na której terenie znajduje się gospodarstwo rolne (za ten model odpowiada dr Arkadiusz Głogowski).

– Projekt FARMWISE tak naprawdę dotyczy przyszłościowego zarządzania zasobami rolnymi i innowacjami wodnymi w zrównoważonej Europie. Istotą sprawy jest opracowanie metod, które będą wpływały na gromadzenie zasobów wody w małych zlewniach rolniczych – mówi profesor Agnieszka Medyńska-Juraszek dodając, że w projekcie równie ważne są innowacje związane z oczyszczaniem i uzdatnianiem wody w środowisku. W tym przypadku oczyszczanie związane jest z produkcją rolną – z jednej strony chodzi o to, by roślinom dostarczać wodę dobrej jakości, ale z drugiej – by z gospodarstwa rolnego do środowiska nie odpływała woda, która jest zanieczyszczona i nadmiernie obciążona biogenami, które powstają w procesie nawożenia. Profesor Medyńska-Juraszek z Instytutu Nauk o Glebie, Żywienia Roślin i Ochrony Środowiska podkreśla, że badaczom zależy na tym, by zamknąć obieg wody w ekosystemie rolniczym, w efekcie czego rośliny będą efektywniej wykorzystywały składniki pokarmowe wprowadzone z nawożeniem, przy mniejszym obciążeniu środowiska glebowego i wodnego.

Dlatego też część partnerów zaangażowanych w projekt FARMWISE pracuje nad technologiami, które będą związane ze zwiększaniem retencji wodnej w glebie i oczyszczaniem wody pobieranej przez rośliny uprawne, co zapewni lepszą jakość plonów. Jednocześnie w projekcie istotne są różnice wynikające ze specyfiki danego kraju – jednym z partnerów w projekcie FARMWISE jest Hiszpania, która nie tylko ma problemy wynikające z suszy, ale też z zasolenia wód i gleby. Spowodowane jest to niedoborem wody opadowej, przez co Hiszpanie nawadniają uprawy korzystając z zasolonych wód, które muszą podlegać procesowi odsalania. Stąd też potrzeba wdrażania technologii, które będą miały za zadanie efektywnie (i łatwo) usuwać sól tak, by umożliwiać wykorzystanie uzdatnionej wody w uprawach rolniczych, szczególnie na południu kraju.

Jak wykorzystać nowe technologie

W projekcie wykorzystuje się też innowacje związane z monitorowaniem stanu wód i ich jakości, a więc różnego typu sensory, czujniki monitorujące nie tylko ilość wody, która jest w środowisku glebowym, ale również jej jakość.

– Liderem projektu jest Uniwersytet Lund w Szwecji, który zaprosił nas do współpracy z uwagi na nasze wcześniejsze doświadczenia w zrealizowanych projektach – mówi dr Fiałkiewicz, a dr Arkadiusz Głogowski dodaje, że najważniejszym zadaniem, które czeka badaczy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu (jego realizację już rozpoczęli) jest zbudowanie bazy danych na temat szeroko pojętego środowiska, w skład której będą wchodzić takie komponenty jak jakość i ilość wody dostępnej w rolnictwie i danych meteorologicznych odpowiadających za rozwój roślin, danych glebowych, regulacji prawnych jakich rolnicy muszą przestrzegać, jak również działań rolniczych w obszarach badawczych projektu (osiem obszarów – każdy w innej strefie klimatycznej Europy) .

Naukowcy nie kryją, że podobnych baz jest wiele, ale są one rozproszone i zwykle są ukierunkowane na jeden czynnik. Brakuje za to takiej, która gromadziłaby dane umożliwiające analizę dowolnego procesu w rolnictwie z uwzględnieniem regulacji prawnych dotyczących danego regionu, na różnych poziomach przestrzennych tj. lokalnie, w skali kraju, w strefach klimatycznych i w Europie.

– Stworzona na UPWr baza europejskiego rolnictwa będzie w dalszej części projektu zasilać narzędzia sztucznej inteligencji. Mówiąc inaczej, baza będzie źródłem wiedzy dla sztucznej inteligencji, która będzie wspomagać podejmowanie decyzji dotyczących systemów chroniących jakość wody, dając wskazówki pozwalające rolnikom i administracji publicznej podejmować merytorycznie uzasadnione decyzje – mówi dr Głogowski, podkreślając, że europejska baza danych byłaby więc narzędziem wykorzystywanym przez różne grupy użytkowników. Zastrzega też, że na tym etapie trudno mówić o szeroko otwartym dostępie do bazy – niektóre dane, jakie zostaną do niej implementowane są dostępne, inne jednak traktowane są jako dane wrażliwe – wodę uznaje się za element infrastruktury krytycznej istotnej dla bezpieczeństwa danej populacji.

– Ale to jest dyskusja, która jest dopiero przed nami. Na tym etapie interesuje nas narzędzie, z którego będzie korzystał rolnik, a które będzie wspierała sztuczna inteligencja – mówi dr Głogowski, a profesor Medyńska-Juraszek dodaje, wszystkie innowacje w FARMWISE związane są z ochroną i zwiększaniem zasobów wody w danym ekosystemie i układzie rolniczym. – Zależy nam na synergii, dane zbierane w monitoringu, analizowane przez sztuczną inteligencję będą dawały odpowiedź na pytanie, ile nawozów należy użyć, aby ich działanie przyniosło efekty, czy w takiej samej dawce na całej powierzchni danej uprawy, czy jednak w różnych dawkach na różnych odcinkach – tłumaczy profesor Agnieszka Medyńska-Juraszek, podkreślając przy tym od razu, że woda na całym świecie jest zasobem deficytowym, na wielu obszarach Europy jest bardzo złej jakości i wynika to zarówno z czynników naturalnych, jak np. budowa geologiczna niektórych obszarów, jak i zanieczyszczeń antropogenicznych, które w tych wodach występują.

Rolnik, uprawy i zmiany klimatyczne

Badacze w UPWr chcieliby, aby tworzone przez nich narzędzia pomogły rolnikom przystosować się do zmian klimatycznych i zaplanować na przyszłe lata płodozmian w takim układzie, który będzie zapewniał optymalne planowanie upraw dostosowane do warunków wodno-glebowych i klimatycznych na danym terenie.

– Pamiętajmy o tym, że planowanie to nie tylko struktura zasiewów, ale również struktura wykorzystania nawozów i środków ochrony roślin. Skuteczność i efektywność nawożenia zależy od ilości wody, która jest zgromadzona w glebie. Mówiąc obrazowo, nawozy muszą się po prostu rozpuścić, a więc gleba w momencie nawożenia musi być wilgotna. Jeśli rośliny są „dokarmiane” nawozami w czasie suszy, dochodzi do bardzo dużych strat. Szacuje się, że na świecie efektywność nawożenia wynosi ok. 30 proc., w Europie ok. 50 proc.– mówi profesor Agnieszka Medyńska-Juraszek.

Dr Arkadiusz Głogowski pytany o otwarcie rolników na nowe rozwiązania, nad którymi pracują naukowcy, mówi jednak wprost, że otwarci na innowacje są raczej młodsi, którzy mówiąc kolokwialnie, „urodzili się” z tabletem czy komórką w ręce.

– Średnie pokolenie rolników to dzisiaj biznesmeni. Dla nich doradztwo w tej dziedzinie jest stratą czasu, bo zbyt wiele osób na przestrzeni ostatnich 20-30 lat wykorzystywało rolnictwo opierając się na przekonaniu, że rolnikowi wszystko samo rośnie. My musimy dzisiaj ciężko pracować aby to zaufanie odzyskać. Na szczęście na warsztatach, które organizowaliśmy wspólnie z doradztwem rolnym, mieliśmy szansę pracować, z młodym pokoleniem które jak wspomniałem, jest otwarte na nowe rozwiązania szczególnie takie, które pomogą zoptymalizować pracę ich rodziców– przyznaje dr Głogowski, który zajmuje się modelowaniem zjawisk środowiskowych.

Co może biowęgiel?

W projekcie FARMWISE oprócz budowy bazy danych jednym z realizowanych zadań jest przekształcanie odpadów organicznych, które powstają w gospodarstwie – biowęgla i wykorzystania go jako amelioranta glebowego.

– To jest innowacja, którą będziemy testować. Biowęgiel dodawany do gleby będzie wpływał na zwiększenie zasobu wody – ma bardzo dużą porowatość i jest w stanie ją zatrzymać. Ale jest też materiałem, który przypomina w swoich właściwościach węgiel aktywowany, a więc pełni funkcję detoksyfikacyjną, czyli będzie usuwał z wody glebowej zanieczyszczenia, które mogłyby się potencjalnie przedostać do wód gruntowych – mówi profesor Agnieszka Medyńska-Juraszek i od razu dodaje, że biowęgiel można uzyskać z odpadów rolniczych takich jak słoma, łuszczyny nasion, kolby kukurydziane, wytłoki, które pozostają po procesie produkcyjnym i powinny być ponownie zagospodarowane.

Badacze z UPWr chcą zastosować prostą technologię, która będzie powtarzalna i nie będzie wymagała ze strony rolnika dużych nakładów inwestycyjnych. Taka własna produkcja nawozu może być alternatywą do nawozów organicznych, które powstają w gospodarstwie, zmniejszała by też koszty zagospodarowania odpadów. Przede wszystkim jednak przewaga biowęgla nad innymi nawozami organicznymi polega na tym, że jest to materiał o bardzo dużej stabilności w glebie a więc efekt jego wprowadzenia do gleby utrzymuje się długo, ponadto nie powoduje emisji dwutlenku węgla do atmosfery, jak to się dzieje w przypadku innych nawozów organicznych.

– To kolejny istotny element naszego projektu, bo mamy nie tylko do czynienia z niedoborem wody, ale również niedoborem węgla w glebach. Oba te zjawiska związane są ze zmianami klimatycznymi. I co równie ważne, brak węgla w glebie w odpowiedniej ilości powoduje zaburzenie procesu przyswajania innych pierwiastków dostarczanych roślinom z nawożeniem. Mówiąc wprost, wykorzystanie biowęgla będzie wpływało na efektywność nawożenia azotowego – mówi prof. Medyńska-Juraszek, a dr Fiałkiewicz dodaje, że w ten sposób w projekcie FARMWISE nawiązują do wcześniejszego projektu WATERAGRI, w którym chodziło o domknięcie gospodarki związanej obiegiem glebowo-atmosferycznym substancji pokarmowych, po to, by jego straty a co za tym idzie oddziaływanie na środowisko były jak najmniejsze.

– Na końcowym etapie projektu będziemy również wybierać najbardziej obiecujące innowacje i podejmiemy próbę prognozowania ich wpływu na mitygację zmian klimatu w perspektywie 2030, 2050 i 2100 w różnych skalach przestrzennych. Wyniki tych prognoz również będą zasilać bazę danych, a więc i sztuczną inteligencję, skutkując rekomendacją strategii, w jakich regionach można osiągnąć największe korzyści. A ponieważ sztuczna inteligencja – upraszczając jej działanie – jest zaawansowanym narzędziem statystycznym, wszystkie prognozy i ewentualne zmiany strategii ochrony środowiska będą na nowo uruchamiały łańcuch zależności prowadząc do nowych wniosków i rekomendacji – mówią naukowcy z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu.

Źródło: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu