Fiksasi nitrogen biologi dalam kelapa sawit Malaysia: bagaimana tanaman penutup bumi kekacang mengurangkan kebergantungan kepada baja sintetik

Nitrogen adalah nutrien yang paling banyak diperlukan oleh kelapa sawit selepas kalium, dan pembajaan nitrogen mewakili salah satu kos input tunggal terbesar dalam pengurusan ladang di Malaysia. Pokok kelapa sawit matang pada 25 tan FFB per hektar mengeluarkan kira-kira 35 hingga 45 kg nitrogen dari tanah setahun dalam biojisim yang dituai sahaja, dan nitrogen tambahan hilang melalui larut lesap, pemeluwapan daripada urea yang digunakan, dan denitrifikasi dalam tanah yang ditenggelami air. Menggantikan nitrogen ini melalui urea sintetik: dengan kehilangan pemeluwapan 11 hingga 42% dan jejak karbon yang signifikan: adalah mahal dan memberi kesan buruk kepada alam sekitar.

Tanaman penutup kekacang menawarkan alternatif biologi kepada sebahagian daripada keperluan nitrogen ini. Melalui simbiosisnya dengan bakteria tanah genus Bradyrhizobium, kekacang menukarkan gas nitrogen atmosfera (N2) menjadi ammonium yang tersedia untuk tumbuhan: suatu proses yang disebut pengikatan nitrogen biologi (BNF). Nitrogen yang diikat oleh sistem tanaman penutup kekacang yang diurus dengan baik di kelapa sawit Malaysia mewakili bekalan nitrogen yang besar dan boleh diperbaharui yang mengurangkan jumlah urea sintetik yang diperlukan dan meningkatkan profil kelestarian keseluruhan ladang.

Biologi pengikatan nitrogen dalam kekacang tropika

BNF dalam tanaman penutup kekacang berlaku dalam nodul akar: struktur kecil, kemerah-merahan yang kelihatan pada akar tumbuhan yang aktif mengikat. Di dalam setiap nodul, bakteria Bradyrhizobium (dipanggil bakteroid dalam keadaan residen nodulnya) mengekalkan keadaan di mana enzim nitrogenase boleh menukarkan gas N2 kepada NH4+, yang boleh diserap terus oleh tumbuhan perumah. Reaksi nitrogenase memerlukan tenaga yang signifikan: kira-kira 16 molekul ATP setiap molekul N2 yang diikat: disediakan oleh tumbuhan perumah melalui bekalan fotosintat ke nodul. Kos tenaga ini bermakna tumbuhan yang aktif mengikat melabur sebahagian besar daripada hasil fotosintesisnya dalam simbiosis, itulah sebabnya kadar pengikatan nitrogen berkait rapat dengan pengeluaran biojisim atas tanah.

Kaedah ureida: mengukur kepekatan ureida (allantoin dan allantoate) dalam sap xilem: digunakan untuk mengukur BNF dalam kekacang tropika tanpa asai pengurangan asetilena yang mahal. Penyelidikan menggunakan teknik ini di ladang kelapa sawit Malaysia dan Indonesia di bawah pokok kelapa sawit berusia 2 hingga 3 tahun menganggarkan kadar pengikatan nitrogen 80 hingga 150 kg N per hektar setahun untuk pokok Pueraria javanica yang telah mantap dengan nodulasi lengkap. Pengukuran Mucuna bracteata dari keadaan serupa menunjukkan 100 hingga 180 kg N per hektar setahun, mencerminkan pengeluaran biojisim atas tanah MB yang lebih tinggi yang menyediakan lebih banyak karbon untuk menyokong pengikatan nitrogen.

Mengapa BNF sering kurang berprestasi di tanah masam Malaysia

Potensi pengikatan nitrogen yang diterangkan di atas boleh dicapai, tetapi sering tidak dicapai dalam amalan di Ultisol masam Malaysia. Tiga faktor secara konsisten mengehadkan BNF di lapangan berbanding potensi teori: kesan pH tanah pada populasi Bradyrhizobium, inokulasi yang tidak mencukupi, dan perencatan nitrat tanah.

Strain Bradyrhizobium yang menodulasi kekacang tanaman penutup Malaysia mempunyai julat pH optimum 5.5 hingga 7.0 untuk pertumbuhan dan aktiviti nodulasi. Pada pH tanah kelapa sawit Malaysia purata 4.3, populasi Bradyrhizobium asli adalah rendah, dan kejayaan nodulasi tanpa inokulan tambahan adalah lemah. Tumbuhan yang tumbuh tanpa nodul berfungsi tidak mengikat nitrogen, tanpa mengira berapa banyak N2 yang terdapat dalam atmosfera tanah. Gejala kekurangan nitrogen pada daun tanaman penutup yang tidak dinodulasi tidak dapat dibezakan daripada tumbuhan bukan kekacang yang kekurangan nitrogen: sumber nitrogen biologi belum diaktifkan.

Inokulasi dengan inokulan Bradyrhizobium yang berdaya maju dan spesifik spesies semasa menanam mengatasi halangan ini di tanah masam. Penyelidikan secara konsisten menunjukkan bahawa tanaman penutup yang diinokulasi di Ultisol masam Malaysia mencapai 2 hingga 5 kali jisim nodul dan pengikatan nitrogen yang lebih besar daripada tumbuhan yang tidak diinokulasi pada musim tanam pertama. Untuk setiap kilogram inokulan yang digunakan, nitrogen yang diikat dalam tempoh 12 bulan berikutnya mewakili ratusan kilogram nilai setara urea.

Kepekatan nitrat tanah yang tinggi: daripada aplikasi urea baru-baru ini atau daripada mineralisasi bahan organik yang intensif: menekan BNF dengan mengurangkan pelaburan tenaga tumbuhan dalam penyelenggaraan nodul. Inilah sebabnya mengapa anggaran pengikatan nitrogen dari ladang yang menerima input nitrogen sintetik yang tinggi biasanya lebih rendah daripada sistem input yang lebih rendah. Mengurangkan aplikasi nitrogen sintetik (apabila BNF mula membekalkan lebih banyak keperluan N tumbuhan) sebenarnya meningkatkan output BNF dalam gelung maklum balas positif: tetapi ini memerlukan keyakinan terhadap kapasiti pengikatan sistem tanaman penutup sebelum mengurangkan input sintetik.

Mengkuantifikasi nilai penggantian baja

Sistem tanaman penutup yang diurus dengan baik yang mengikat 100 kg N per hektar setahun memberikan nilai nitrogen bersamaan dengan 217 kg urea per hektar setahun: pada harga pasaran Malaysia, kira-kira RM 350 hingga 430 dalam penjimatan kos input, sebelum mengambil kira kehilangan pemeluwapan yang dielakkan yang seterusnya mengurangkan kecekapan urea. Di seluruh ladang seluas 500 hektar dengan liputan tanaman penutup yang lengkap, ini mewakili RM 175,000 hingga 215,000 setahun dalam kos urea yang dielakkan.

Untuk memperoleh nilai ini, aplikasi nitrogen sintetik ke antara barisan tanaman penutup harus dikurangkan (bukan dihapuskan) sebanyak 20 hingga 40% selepas tahun pertama penanaman yang mantap dan mempunyai nodul yang baik. Nitrogen yang diikat oleh tanaman penutup termineralkan daripada sisa-sisanya dalam tempoh 6 hingga 18 bulan selepas pusing ganti biojisim, menjadi tersedia kepada tumbuhan secara tidak serentak dengan permintaan kelapa sawit: jadi beberapa input nitrogen sintetik tetap penting untuk peristiwa nutrisi yang sensitif masa (terutama semasa perkembangan tandan). SoilBoost EA mempercepatkan mineralisasi sisa tanaman penutup, meningkatkan masa dan kelengkapan pelepasan nitrogen daripada biojisim tanaman penutup ke dalam zon akar.

Menggunakan Seed Activator semasa menanam Mucuna bracteata, Pueraria javanica, Calopogonium mucunoides, atau Centrosema pubescens, bersama-sama dengan inokulan Bradyrhizobium yang sesuai, mewujudkan asas biologi untuk BNF maksimum dari permulaan penanaman tanaman penutup. Pelaburan dalam BNF ini adalah salah satu keputusan agronomi yang memberikan pulangan tertinggi di kelapa sawit Malaysia: memberikan nitrogen biologi yang berterusan sepanjang kitaran pengeluaran penuh tanpa kehilangan pemeluwapan, kos input, dan jejak karbon urea sintetik.