آیا مصرف زیاد کودهای نیتروژنی مشکل ساز است؟

چکیده

 نیتروژن در اطراف ما وجود دارد و حدود 78 درصد از هوایی که تنفس می کنید را تشکیل می دهد. با این حال، گیاهان و حیوانات نمی توانند از گاز نیتروژن موجود در هوا استفاده کنند. گیاهان برای رشد به ترکیبات نیتروژنی موجود در خاک نیاز دارند که می توانند به طور طبیعی تولید شوند و یا توسط کودها تامین شوند. با این حال، استفاده از مقادیر بیش از حد کود منجر به انتشار گازهای گلخانه ای مضر در اتمسفر و اوتروفیکاسیون(مغذی شدن) آبراه های ما می شود. دانشمندان در حال حاضر در حال تلاش برای یافتن راه حل هایی برای کاهش اثرات مضر کودها برای محیط زیست هستند، بدون اینکه میزان غذایی که می توانیم در هنگام استفاده از آنها تولید کنیم کاهش یابد.

کود چیست؟

کود هر ماده ای است که به خاک اضافه می شود و باعث رشد گیاه می شود. انواع کودهای زیادی وجود دارد و اکثر آنها حاوی نیتروژن (N)، فسفر (P) و پتاسیم (K) هستند. در واقع کودهایی که در فروشگاه ها به فروش می رسند دارای نسبت N-P-K در بسته بندی خود هستند. کودها در سرتاسر جهان برای سبز نگه داشتن چمنزارها و تولید محصولات بیشتر در مزارع کشاورزی استفاده می شوند. کودها را می توان به سه گروه تقسیم کرد: کودهای معدنی (فسفر و پتاس) از محیط استخراج می شوند و قبل از استفاده خرد شده یا تحت فرایند شیمیایی قرار می گیرند. کودهای آلی (کمپوست) که از مدفوع حیوانات و مواد تجزیه شده گیاهی یا حیوانی ساخته می شوند. کودهای صنعتی (فسفات آمونیوم، اوره، نیترات آمونیوم) به صورت صنعتی توسط انسان از طریق واکنش های شیمیایی تولید می شوند. در حالی که کودهای آلی و معدنی برای مدت طولانی برای افزایش عملکرد محصول در کشاورزی مورد استفاده قرار گرفته اند، کودهای صنعتی پیشرفت نسبتا جدیدی هستند. با این حال، کودهای صنعتی پرمصرف ترین کودهای امروزی هستند.

چرا به کودهای حاوی نیتروژن نیاز داریم؟

نیتروژن یکی از عناصر یا مواد مغذی است که همه موجودات زنده (میکروارگانیسم ها، گیاهان و حیوانات) برای رشد به آن نیاز دارند. اگرچه، مقدار زیادی نیتروژن در اطراف ما وجود دارد، متأسفانه گیاهان و حیوانات نمی توانند مستقیماً از گاز نیتروژن استفاده کنند. ما به عنوان انسان، نیتروژن خود را از غذاهایی که می خوریم دریافت می کنیم. غذاهای پر پروتئین مانند گوشت، ماهی، آجیل یا لوبیا سرشار از نیتروژن هستند. گیاهان نیتروژن خود را از خاک دریافت می کنند و نیتروژن رایج ترین ماده مغذی برای محدود کردن رشد گیاه است. دو روش وجود دارد که گاز نیتروژن به طور طبیعی به ترکیبات حاوی نیتروژن تبدیل یا “تثبیت” می شود که می تواند بدون دخالت انسان به خاک ختم شود (شکل 1)

• رعد و برق: صاعقه انرژی کافی برای شکستن پیوند نیتروژن-نیتروژن در جو ایجاد می کند و ترکیبات حاوی نیتروژن را ایجاد می کند که در نهایت به خاک می رسد.
• تثبیت بیولوژیکی نیتروژن: برخی از میکروارگانیسم ها می توانند از گاز نیتروژن به طور مستقیم به عنوان یک ماده غذایی استفاده کنند. این میکروارگانیسم‌های تخصصی گاز نیتروژن را به آمونیوم (NH4⁺) تبدیل می‌کنند و «تثبیت‌کننده‌های نیتروژن» نامیده می‌شوند. برخی از میکروارگانیسم های تثبیت کننده نیتروژن در خاک زندگی می کنند و برخی می توانند با ریشه برخی گیاهان مانند لوبیا یا شبدر ارتباط نزدیکی برقرار کنند.

• با این حال، حتی با این همه فرایند تثبیت نیتروژن طبیعی، اغلب رشد گیاه به دلیل سطح پایین نیتروژن در خاک محدود می شود.به همین دلیل است که بیشتر کودها حاوی ترکیبات نیتروژن هستند و به همین دلیل است که کودهای صنعتی برای تولید محصولات کافی برای تغذیه جمعیت انسانی ضروری هستند. انسان‌ها در حال حاضر هر سال به همان میزان یا بیشتر از آنچه که به طور طبیعی تثبیت می شود، ترکیبات نیتروژن دار صنعتی (حدود 150 میلیارد کیلوگرم) به محیط اضافه می‌کنند ]1، 2[. تصور صد و پنجاه میلیارد کیلوگرم از هر چیزی سخت است، اما این برابر با وزن 24 میلیون فیل کاملاً بالغ است!

چرا از کودهای صنعتی حاوی نیتروژن زیاد استفاده می کنیم؟

پاسخ کوتاه این است که کودهای حاوی نیتروژن به رشد سریع‌تر گیاهان کمک می‌کنند و به تولید محصولات بیشتر کمک می‌کنند. این اجازه می دهد تا از زمین های کشاورزی به طور موثرتر استفاده شود. در واقع، اختراع کودهای صنعتی یکی از دلایل اصلی رشد سریع جمعیت زمین در 60 تا 70 سال گذشته است. قبل از استفاده گسترده از کودهای صنعتی در دهه 1960، 123 سال طول کشید تا جمعیت زمین از 1 به 2 میلیارد (1804-1927) برسد. این در حالیست که با کشف و تولید کودهای نیتروژنی، تنها 45 سال (1974-2019) طول کشید تا جمعیت زمین از 4 به 8 میلیارد نفر برسد. اکنون، ما آنقدر به کود نیتروژن وابسته هستیم که بدون آن فقط می‌توانیم غذای کافی برای تغذیه 50 درصد از جمعیت جهان را تولید کنیم {1و2}

نیتروژن حاصل از کودهای حاوی نیتروژن به کجا ختم می شود؟

 اگرچه مقداری از نیتروژن جذب محصولات می شوند ام متاسفانه این پایان ماجرا نیست. در یک مزرعه کشاورزی متوسط، تنها 50% از نیتروژن کودها توسط محصولات کشاورزی استفاده می شود{3} بنابراین، در حالی که کودها باعث رشد بهتر و سریع‌تر محصولات می‌شوند، نیمی از نیتروژنی که اضافه می‌کنیم از بین می‌رود. تصور کنید – ما هر سال معادل 12 میلیون فیل نیتروژن را از دست می دهیم. نیتروژن از دست رفته می تواند وارد جو شود (A) و یا می تواند از خاک شسته شود و به آبراه ها مانند آب های زیرزمینی، نهرها، دریاچه ها، رودخانه ها و اقیانوس ها وارد شود(B) (شکل 2). این نیتروژن از دست رفته باعث انواع مشکلات زیست محیطی می شود{2}.

کودهای حاوی نیتروژن چه مشکلات زیست محیطی ایجاد می کنند؟

برخی از میکروارگانیسم های خاک می توانند نیتروژن موجود در کودها را به گازهای حاوی نیتروژن تبدیل کنند که همانند گازهای گلخانه ای اکسید نیتروژن (N₂O) در جو آزاد می شوند. گازهای گلخانه ای یکی از عوامل اصلی تسریع گرمایش جهانی هستند. اکسید نیتروژن دارای پتانسیل گرم شدن 300 برابر بیشتر از متداول ترین گاز گلخانه ای، دی اکسید کربن (CO₂) است. در آبراه ها، افزودن مواد مغذی خارجی (مانند نیتروژن اضافی) را اوتروفیکاسیون می نامند (تغییر در وضعیت مواد مغذی یک محیط ناشی از ورود سطوح بالای مواد مغذی (نیتروژن یا فسفر) به آبراه ها (دریاچه ها، رودخانه ها یا اقیانوس ها). اوتروفیکاسیون یکی از پیامدهای مهم رشد انفجاری و مضر جلبک ها و از بین رفتن آبزیان است. اوتروفیکاسیون یک بارورسازی ناخواسته یک آبراه است و مانند بارورسازی خاک باعث رشد میکروارگانیسم ها، جلبک ها و گیاهان می شود. با این حال، رشد سریع میکروارگانیسم ها و گیاهان می تواند تمام اکسیژن موجود در این آبراه ها را مصرف کند و آنها را به اصطلاح به مناطق مرده تبدیل کند. اوتروفیکاسیون همچنین می تواند منجر به رشد گونه های جلبکی شود که مواد شیمیایی سمی تولید می کنند که شکوفه های جلبکی مضر نامیده می شود. سیانوباکترها و جلبک ها به دلیل مقادیر زیادی مواد مغذی (نیتروژن یا فسفر) موجود در آب هایی که در آنها زندگی می کنند، بسیار سریع رشد می کنند. این سیانوباکترها و جلبک ها مواد شیمیایی مضر-سموم- را در آبراه آزاد می کنند. در حالی که ما به نیتروژن حاصل از کودها در خاک های کشاورزی خود نیاز داریم، به نیتروژن اضافی در جو یا آبراه ها نیازی نداریم یا نمی خواهیم. این بدان معناست که ما باید مزایای مثبت کود نیتروژن (غذای بیشتر) را با پیامدهای منفی کود اضافی (مشکلات زیست محیطی) متعادل کنیم{1و2}. دانشمندان در حال حاضر در حال تلاش برای یافتن این تعادل برای بهبود وضعیت فعلی ما هستند.

در حال حاضر چه تحقیقات مرتبط با کود در حال انجام است؟

 یکی از اهداف اصلی تحقیقات مرتبط با کود، کاهش مقدار نیتروژن صنعتی است که در جو و آبراه‌ها از بین می‌رود (حدود 12 میلیون فیل). این راه حل را بهبود کارایی مصرف نیتروژن در محیط های کشاورزی می نامند. در اینجا چند نمونه از تحقیقات در حال انجام کود آورده شده است:

• میکروبیولوژیست ها و دانشمندان خاک در حال کار بر روی راه هایی برای بهبود شرایط مزرعه برای ترویج رشد باکتری های تثبیت کننده نیتروژن خاک هستند. علاوه بر این، آنها همچنین در حال کار بر روی روش هایی برای جلوگیری از رشد میکروارگانیسم های خاک هستند که باعث از دست رفتن نیتروژن در جو یا آبراه ها کمک می کنند. مجموع این دو منجر به کاهش مقدار کلی کود حاوی نیتروژن مورد نیاز برای بدست آوردن عملکرد مشابه می شود.
• شیمیدانان در حال کار بر روی طراحی کودهایی هستند که در مدت زمان طولانی تری در خاک پایدار باشند و کمتر توسط میکروارگانیسم ها تجزیه شوند. این کودهای آهسته رهش در یک زمان مقدار کمی از مواد مغذی را آزاد می کنند، بنابراین مواد مغذی در طول عمر محصولات در دسترس هستند. این روش هنوز به کودهای حاوی نیتروژن وابسته است، اما مقدار کود مورد نیاز را کاهش می دهد و نیتروژن از دست رفته را کاهش می دهد.
• زیست شناسان گیاهی در تلاش برای مهندسی ژنتیک محصولاتی هستند که به نیتروژن کمتری از کودها نیاز دارند{4}. این محصولات می توانند نیتروژن خود را از گاز نیتروژن دریافت کنند، درست همانند میکروارگانیسم های تخصصی تثبیت کننده نیتروژن. این محصولات برای تولید محصول مشابه به کود کمتری نیاز دارند.
• دانشمندان کامپیوتر و دانشمندان خاک برای طراحی سیستم های کوددهی هوشمند با هم کار می کنند که می تواند شرایط خاک و هوا را در مزارع کشاورزی نظارت کند. این سیستم‌ها تنها در صورت نیاز می‌توانند مقادیر کمی کود اضافه کنند. این روش، مقدار کود اضافه شده را به حداقل می رساند.

خلاصه

کودها مواد مغذی ضروری مانند نیتروژن را در اختیار محصولات کشاورزی قرار می دهند، به طوری که محصولات بزرگتر، سریعتر رشد می کنند و غذای بیشتری تولید می کنند. با این حال، استفاده بیش از حد کود می تواند مشکل ساز باشد زیرا منجر به انتشار گازهای گلخانه ای و اوتروفیکاسیون می شود. دانشمندان در حال حاضر در تلاشند تا راه حلی برای کاهش میزان کودهای مورد نیاز، بدون کاهش میزان غذای تولید شده، بیابند.

مراجع

[1] ↑ Galloway, J. N., Leach, A. M., Erisman, J. W., and Bleeker, A. 2017. Nitrogen: the historical progression from ignorance to knowledge, with a view to future solutions. Soil Res. 55:417–24. doi: 10.1071/SR16334

[2] ↑ Erisman, J. W., Galloway, J. N., Dice, N. B., Sutton, M. A., Bleeker, A., Grizzetti, B., et al. 2015. Nitrogen: Too Much of a Vital Resource. Science Brief. Zeist: WWF Netherlands.

[3] ↑ Hirel, B., Tétu, T., Lea, P. J., and Dubois, F. 2011. Improving nitrogen use efficiency in crops for sustainable agriculture. Sustainability 3:1452–85. doi: 10.3390/su3091452

[4] ↑ Good, A., 2018. Toward nitrogen-fixing plants: a concerted research effort could yield engineered plants that can directly fix nitrogen. Science 359:869–70. doi: 10.1126/science.aas8737