Het veld wintergerst van Don Wyse was in het voorjaar grotendeels leeg.

Acht jaar geleden zou op dit proefveld in St. Paul nog maar een tiende van het graan de winter overleven. Maar dit jaar, na herhaaldelijk de genetica van de plant te hebben verfijnd, stond het veld vol met wuivende, lichtgele korrels.

De winter is de eerste hindernis die onderzoekers van het Forever Green Initiative van de Universiteit van Minnesota moeten nemen als ze proberen nieuwe gewassen te telen die het hele jaar door landbouwvelden kunnen bedekken - en daarbij de waterkwaliteit in de hele staat helpen.

Minnesota worstelt al jaren met het terugdringen van de vervuiling door meststoffen en andere bronnen die uitmonden in beken, meren, de Mississippi en uiteindelijk de Golf van Mexico.

Wyse, een gewaswetenschapper die Forever Green oprichtte en nu mede-leider is, zei dat hij jarenlang toekeek hoe alle financiering voor onderzoek naar vervuiling door boerderijen werd besteed aan het beschrijven van het probleem. "Er was geen grote investering in oplossingen."

Daarom werken gewasveredelaars bij Forever Green aan 16 meerjarige en winterjarige gewassen om die nutriëntenvervuiling op te zuigen voordat deze ontsnapt. Met het programma proberen voedingswetenschappers en marketeers toepassingen voor deze gewassen te ontwikkelen en hopelijk zorgen ze voor nieuwe inkomsten voor boeren.

Meerjarige gewassen zijn geen nieuw idee - groepen zoals het non-profit Land Institute in Salina, Kansas, promoten het concept al tientallen jaren. Het is het handelsmerk voor Kernza, een meerjarig graan dat het ontwikkelt in samenwerking met Forever Green-wetenschappers.

Maar er blijven uitdagingen in het kip-of-ei-probleem om een ​​markt voor deze gewassen te ontwikkelen. Om de gewassen in grootschalige producten te kunnen gebruiken, moet er veel worden geproduceerd; maar om boeren erop te laten wedden, moeten ze ervan overtuigd zijn dat er een markt is.

In het water gedragen

In de vruchtbare velden van het Midwesten domineren maïs en sojabonen:volgens het Amerikaanse ministerie van landbouw bedekten de twee jaarlijkse gewassen 63% van de 25 miljoen hectare landbouwgrond in Minnesota. In andere staten is het aandeel zelfs nog hoger:ze beslaan 76% van de landbouwgrond in Iowa en 80% in Illinois.

Bij deze bewerkingen met rijgewassen zijn boeren doorgaans bezig met het bewerken en zaaien van zaden in de lente, oogsten in de herfst en laten die grond kaal tot het volgende groeiseizoen.

Vallende regen spoelt gemakkelijk voedingsstoffen uit deze braakliggende velden en in nabijgelegen waterwegen. Fosfor dat stroomt met eroderende landbouwgronden voedt algen in de meren van Minnesota; stikstof sijpelt naar beneden in het grondwater en vervuilt landelijke waterbronnen.

"Het is dit hardnekkige probleem dat onze rivieren verstikt", zegt Whitney Clark, directeur van Friends of the Mississippi River. Er zijn "te veel hectares lekkende, eenjarige rijgewassen."

Stikstof stroomt langs de Mississippi-rivier naar de Golf van Mexico, waar het helpt bij het voeden van een jaarlijkse algenexplosie en afsterving die zuurstof uit het water haalt, waardoor een enorme "dode zone" ontstaat. Dit jaar voorspelde de National Oceanic and Atmospheric Administration dat de dode zone 5.364 vierkante mijl zou zijn, bijna zo groot als Connecticut.

In het meest recente actieplan om deze dode zone te verkleinen, uit 2008, werd aanbevolen dat elke staat langs het stroomgebied zijn stikstof- en fosforvervuiling met 45% zou verminderen. Maar de niveaus blijven hoog.

David Wall, een onderzoekswetenschapper bij de Minnesota Pollution Control Agency, zei dat de staat de fosforhoeveelheden tussen 20 en 35% heeft verminderd, voornamelijk door het verbeteren van rioolwaterzuiveringsinstallaties en enkele maatregelen voor het beheer van akkerland.

Maar de stikstofniveaus zijn hetzelfde gebleven, of in sommige gevallen gestegen, zei Wall.

Een oplossing is om plantenwortels langer in de grond te houden, waar ze de grond stabiliseren en stikstof opzuigen voordat het ontsnapt.

Kernza - een dikke, grasachtige plant - produceert ongeveer drie jaar goed, komt elk voorjaar uit de grond en rijpt voor de oogst in de late zomer of herfst. Door het hele jaar door op zijn plaats te blijven, heeft peer-reviewed onderzoek van Forever Green aangetoond dat het 99% van de stikstof opvangt die anders zou ontsnappen in vergelijking met eenjarige maïs.

"De enige manier om te voorkomen dat stikstof door de grond spoelt, is door wortels die stikstof te laten onderscheppen", zegt Lee DeHaan, de hoofdwetenschapper voor Kernza-domesticatie bij het Land Institute.

Maar Kernza-fabrieken produceren slechts 20% van wat tarweplanten doen op hetzelfde areaal in veldtests in Kansas, zei DeHaan.

In het veld

Op de U's velden in St. Paul werken veredelaars om dat probleem op te lossen. Wetenschappers verzamelden nauwgezet stuifmeel van vaste planten en pasten het toe op traditionele, eenjarige tarwe. De hybriden groeien nu en de hoop is dat ze zowel de meerjarige kwaliteiten van Kernza als de hogere graanhoeveelheden van gewone tarwe zullen hebben.

Succes of mislukking zal pas volgend voorjaar duidelijk worden, zei Wyse. Pas als ze weer tevoorschijn komen, weten veredelaars of de planten echt vaste planten zijn.

Neem pennycres, een veelvoorkomend onkruid langs de weg dat plantbioloog en veredelaar David Marks probeert te maken tot een belangrijk winterhoofdgewas. Marks is zo optimistisch over het potentieel van pennycress om eetbare zaden te produceren dat hij de lichtgroene gelijkenis van de plant op zijn linkeronderarm laat tatoeëren.

Marks heeft genoeg te doen om het gewas marktrijp te maken. De platte, ronde zaaddozen moeten duurzamer worden gemaakt, zodat ze niet openbarsten voor de oogst; dikke zaadlagen moeten worden uitgedund, zodat dwalend zaad niet langer in de grond blijft dan een boer ze daar zou willen hebben; en onveilig om te consumeren erucazuur moet uit de zaadoliën worden verwijderd.

Marks zei dat het potentieel van het gewas als winterjaar niet alleen voorkomt dat meststoffen in het water komen, maar ook het groeivenster vergroot, in een tijd waarin de pandemie en de oorlog in Oekraïne de wereld van streek hebben gemaakt.

Marks zei dat hij zich zorgen maakt dat de volgende verstoring "een bedreiging zal vormen voor onze voedselzekerheid. Ik denk aan de toekomst van wat komen gaat."

De markt opbouwen

Van alle gewassen van Forever Green is Kernza misschien wel de bekendste - en komt het dichtst in de buurt bij het maken van consumentenproducten.

Om deze gewassen het verschil te laten maken, moeten ze op grote schaal worden toegepast, zei Wyse.

"We moeten grote markten hebben om genoeg van deze planten in het landschap te krijgen om de Mississippi-rivier te beschermen," zei Wyse.

Er zijn momenteel een paar producten op de markt, zoals een Kernza-graan die in Whole Foods-winkels wordt verkocht door Cascadian Farm, een merk van General Mills.

Maar boeren zeiden dat de Kernza die ze verbouwen niet zo snel verkoopt als andere gewassen.

Er is onlangs wat staatsgeld begroot om te helpen bij deze opschaling. Naast $ 763.000 aan financiering voor het veredelen van gewassen, heeft een tweeledige groep van Minnesota-wetgevers dit jaar $ 500.000 toegewezen om de toeleveringsketenbedrijven te helpen financieren die het graan van de velden naar de winkelschappen brengen.

Het ontwikkelen van de toeleveringsketen heeft intensief werk gevergd, zei Christopher Abbott, de president van Perennial Pantry. De startup is gericht op de verkoop van voedingsmiddelen die meerjarige gewassen en bodembedekkers gebruiken.

Kernza moet na de oogst grondig worden schoongemaakt, wat ongeveer 10 keer langer duurt dan conventionele tarwe, zei Abbott. Daarna moest zijn bedrijf experimenteren met het gebruik van het graan, dat een hogere zemelen-tot-zetmeelverhouding heeft dan andere tarwe.

Een van Abbotts favoriete producten is een Kernza-cracker, die hij omschreef als boterachtig en schilferig. Het kostte 80 iteraties om het goed te krijgen, zei hij.

Early adopters van het gewas staan ​​te popelen om de aanplant te laten werken.

Anne Schwagerl, een boer in het westen van Minnesota in de buurt van Beardsley, zei dat haar Kernza-oogst wat aanpassingen nodig had. Schwagerl, die in 2020 40 hectare Kernza heeft geplant, zei dat het oogsten nu twee keer duurt; het tarwegras moet een voet van de grond worden afgesneden en vervolgens een paar dagen in het veld worden gedroogd voordat het kan worden verzameld.

Schwagerl zei dat het nieuwe graan goed past in haar biologische bedrijf, dat ook sojabonen, maïs, rogge, haver en een ander Forever Green-gewas, wintercamelina, verbouwt.

Maar vanwege de nieuwe markt kon ze het graan dat ze in de herfst van 2021 voor het eerst oogstte, pas in het volgende voorjaar verkopen.

"De Kernza moesten we veel langer bewaren dan met onze maïs- of sojabonen- of haveroogst," zei ze.

Er zijn ook voordelen geweest. Dit voorjaar hadden boeren in een groot deel van de staat moeite om hun zaad in de grond te krijgen, omdat het koude, natte seizoen het planten vertraagde.

Over het planten hoefde Schwagerl zich geen zorgen te maken; haar Kernza-gras was er al, met wortels van enkele meters diep.