ปุ๋ยไนโตรเจน: ความก้าวหน้าทางการเกษตร - และความหายนะด้านสิ่งแวดล้อม


หนึ่งร้อยปีที่ผ่านมาในเดือนนี้การทดลองในห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยคาร์ลสรูเฮ่อในประเทศเยอรมนีเป็นเวทีสำหรับการปฏิวัติเขียว นักเคมีฟริตซ์ฮาเบอร์วางแผ่นออสเมียมไว้ในห้องเหล็กปั๊มด้วยก๊าซไนโตรเจนและไฮโดรเจนผสมกับความร้อนและแรงดัน จากนั้นแอมโมเนียไหลออกซึ่งเป็นวัตถุดิบที่เข้าใจยากในการผลิตปุ๋ยสังเคราะห์ มันเป็นช่วงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์ยูเรก้าติดตามมานานนับทศวรรษ: ฮาเบอร์สามารถสร้างเงื่อนไขที่จำเป็นในการเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนซึ่งมีอยู่มากมายในชั้นบรรยากาศ แต่ไร้ประโยชน์ตลอดชีวิตในรูปแบบที่ย่อยได้ งานนี้จะได้รับรางวัลฮาเบอร์จากเคมีในปี 1918 (หลายคนคัดค้านรางวัลเนื่องจากฮาเบอร์เป็นเครื่องมือในการพัฒนาแ

หนึ่งร้อยปีที่ผ่านมาในเดือนนี้การทดลองในห้องปฏิบัติการที่มหาวิทยาลัยคาร์ลสรูเฮ่อในประเทศเยอรมนีเป็นเวทีสำหรับการปฏิวัติเขียว นักเคมีฟริตซ์ฮาเบอร์วางแผ่นออสเมียมไว้ในห้องเหล็กปั๊มด้วยก๊าซไนโตรเจนและไฮโดรเจนผสมกับความร้อนและแรงดัน จากนั้นแอมโมเนียไหลออกซึ่งเป็นวัตถุดิบที่เข้าใจยากในการผลิตปุ๋ยสังเคราะห์ มันเป็นช่วงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์ยูเรก้าติดตามมานานนับทศวรรษ: ฮาเบอร์สามารถสร้างเงื่อนไขที่จำเป็นในการเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนซึ่งมีอยู่มากมายในชั้นบรรยากาศ แต่ไร้ประโยชน์ตลอดชีวิตในรูปแบบที่ย่อยได้ งานนี้จะได้รับรางวัลฮาเบอร์จากเคมีในปี 1918 (หลายคนคัดค้านรางวัลเนื่องจากฮาเบอร์เป็นเครื่องมือในการพัฒนาและปรับใช้ก๊าซคลอรีนสำหรับเยอรมนีในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1)
เมื่อนำมาใช้ในระดับอุตสาหกรรมการสังเคราะห์แอมโมเนียทำให้การปฏิสนธิของ croplands เกิดขึ้นอย่างกว้างขวางเป็นเวลาหลายทศวรรษ เป็นผลโดยตรงประชากรโลกพุ่งสูงขึ้นจาก 1.6 พันล้านเป็นหกพันล้านในช่วงศตวรรษที่ 20 แต่การค้นพบทางโภชนาการของฮาเบอร์มีด้านมืดที่เขาอาจไม่เคยจินตนาการ การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของปุ๋ยซึ่งนำมาใช้โดยไม่ได้ตั้งใจนั้นมีราคาสูงต่อสิ่งแวดล้อม
และตอนนี้ตามรายงานใหม่ที่จะเปิดเผยในปลายเดือนนี้โดยคณะกรรมการวิทยาศาสตร์ว่าด้วยปัญหาสิ่งแวดล้อม (SCOPE) ของสภาวิทยาศาสตร์ระหว่างประเทศความปรารถนาของสังคมที่จะใช้เชื้อเพลิงชีวภาพในการเตะน้ำมันติดอาจทำให้ย้อนกลับมา ด้วยการทำให้มลภาวะของไนโตรเจนทวีความรุนแรงขึ้นแนวทางการดำเนินธุรกิจตามปกติในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพสามารถทำให้โลกร้อนขึ้นเป็นภัยคุกคามต่อความมั่นคงด้านอาหารและโรคระบบทางเดินหายใจของมนุษย์นอกจากปัญหาทางระบบนิเวศที่คุ้นเคย นักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่าปฏิกิริยาของไนโตรเจนในปุ๋ยที่รั่วไหลออกมาจากพื้นที่เกษตรกรรม (เช่นเดียวกับปริมาณเล็กน้อยที่ออกมาทางปลายท่อและปล่องควัน) สร้างความหายนะเมื่อพวกมันไหลผ่านอากาศและแม่น้ำ สารอาหาร Rogue มักจะกระตุ้นบุปผาสาหร่ายที่เป็นอันตรายขณะที่ไหลลงสู่มหาสมุทรและปากแม่น้ำหลายร้อยแห่งทั่วโลกต้องทนทุกข์ทรมานจากสิ่งที่เรียกว่าโซนตายตามฤดูกาล “ เราไปถึงจุดที่โซนที่ตายแล้วจะเป็นวงดนตรีต่อเนื่องทั่วทั้งทวีป” เจเรมีแจ็คสันจากสถาบันวิจัยสมุทรศาสตร์แห่ง Scripps เตือนใน La Jolla รัฐแคลิฟอร์เนีย
การแก้ไขปัญหาไนโตรเจนเป็นหัวใจสำคัญของแจ็คสันที่เรียกร้องให้การปฏิวัติเขียวเป็นสีเขียวอย่างแท้จริงความเชื่อมั่นที่สะท้อนโดยนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ผู้กระทำผิดหลัก: เรียกว่าเชื้อเพลิงรุ่นแรกซึ่งส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการหมักน้ำตาลอ้อยและข้าวโพด
"การผลิตเอทานอลจากข้าวโพดในสหรัฐอเมริกาเป็นภัยพิบัติในแง่ของปุ๋ยที่ไหลลงสู่แม่น้ำมิสซิสซิปปี" นักชีววิทยาด้านสิ่งแวดล้อมของมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ Robert Howarth ประธานโครงการเชื้อเพลิงชีวภาพระดับนานาชาติกล่าว พระราชบัญญัติความเป็นอิสระและความมั่นคงพลังงานของสหรัฐปี 2550 ผ่านการสนับสนุนอย่างเข้มงวดจากฝ่ายต่างๆตั้งเป้าหมายในการผลิตเอทานอลจำนวน 54 พันล้านลิตร (14.3 พันล้านแกลลอน) จากข้าวโพดภายในปี 2565 แต่งานวิจัยใหม่ที่ระบุไว้ในรายงาน SCOPE ระบุว่า ของการปฏิบัติตามเป้าหมายที่สามารถเพิ่มการไหลของไนโตรเจนในมิสซิสซิปปี 37 เปอร์เซ็นต์ นั่นทำให้การผลิตเอธานอลลดลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเป้าหมายระดับประเทศอื่น: ลดการไหลของไนโตรเจนในแม่น้ำเดียวกันอย่างน้อยร้อยละ 40 เพื่อลดขนาดของเขตตายในอ่าวเม็กซิโกตอนเหนือ
ข้าวโพดเป็นแหล่งเชื้อเพลิงชีวภาพที่มีปัญหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งจากมุมมองของไนโตรเจน Howarth กล่าว การปลูกข้าวโพดแบบทั่วไปคือการใช้ปุ๋ยในปริมาณสูงโดยมีการสูญเสียอย่างมากกับสภาพแวดล้อมโดยรอบ ข้าวโพดมีรากที่ตื้นมากเมื่อเทียบกับพืชส่วนใหญ่และสามารถใช้ไนโตรเจนในดินที่มีความสูง 1-2 นิ้ว (0.4 ถึง 0.8 เซนติเมตร) ของดิน ยิ่งกว่านั้นมันใช้เวลาไนโตรเจนและสารอาหารอื่น ๆ เป็นเวลา 60 วันจากปี พืชอื่น ๆ เช่นถั่วเหลืองและข้าวสาลีมีรากที่ยาวกว่า แต่ราคาที่สูงขึ้นของข้าวโพดได้กระตุ้นให้เกษตรกรปลูกธัญพืช "ไนโตรเจนที่รั่ว" นี้มากขึ้น ที่ดินที่ตั้งไว้เพื่อการอนุรักษ์เช่นเดียวกับถั่วเหลืองและข้าวสาลีที่ใช้งานบางส่วนจะถูกแปลงกลับไปเป็นการเพาะปลูกข้าวโพดที่ใช้งานอยู่
ถึงกระนั้นการเติบโตของการผลิตข้าวโพดไม่สามารถคาดหวังให้โลกสามารถบรรลุเป้าหมายการผลิตเอทานอลได้ ยกตัวอย่างเช่นสหรัฐอเมริกาได้นำการเก็บเกี่ยวข้าวโพดร้อยละ 24 ไปสู่เอทานอลในปี 2550 แต่การมีส่วนร่วมที่เอื้ออำนวยมีเพียง 1.3 เปอร์เซ็นต์ของการใช้เชื้อเพลิงเหลวของประเทศ จากการค้นพบนี้และอื่น ๆ ก่อนหน้านี้ SCOPE รายงานโครงการที่แทนที่ 10% ของเชื้อเพลิงฟอสซิลเหลวที่ใช้ในการขนส่งด้วยเชื้อเพลิงชีวภาพอาจต้องใช้พื้นที่หนึ่งในสามของโลกซึ่งเหมาะแก่การเพาะปลูกทำให้เกิดปัญหาไม่เพียง แต่กับมลพิษทางไนโตรเจน
เป้าหมายของเชื้อเพลิงชีวภาพในปัจจุบันแสดงถึงปัญหาที่สำคัญอื่น ๆ สำหรับภาวะโลกร้อนและสุขภาพของมนุษย์ที่ Howarth กล่าวว่านักวิทยาศาสตร์ได้ประเมิน ปุ๋ยปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์จำนวนมากซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีความสามารถดักจับความร้อนของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 300 เท่า การวิเคราะห์ในปี 2550 โดยผู้ได้รับรางวัลโนเบล Paul Crutzen จากสถาบัน Max Planck สำหรับวิชาเคมีในไมนซ์, เยอรมนีและเพื่อนร่วมงานของเขาแนะนำว่าสำหรับพืชเชื้อเพลิงชีวภาพในปัจจุบันส่วนใหญ่ข้าวโพดรวมอยู่ด้วยการประหยัด CO2 จะถูกกำจัดออกโดยการปล่อยก๊าซไนตรัสออกไซด์ . หลังทำลายโอโซนที่เรียกว่า "ดี" ซึ่งเป็นที่พักพิงของชีวิตจากการทำลายของรังสีอัลตราไวโอเลต มันยังผลิตเชื้อเพลิงของโอโซนระดับพื้นดินซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักในหมอกควันที่เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในการทำให้รุนแรงโรคทางเดินหายใจของมนุษย์ สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมของสหรัฐอเมริการะบุว่าชาวอเมริกันหลายล้านคนอาศัยอยู่ในพื้นที่ที่สูงกว่ามาตรฐานระดับประเทศสำหรับการได้รับโอโซน
แม้ในขณะที่นักวิจัยส่งเสียงเตือนเกี่ยวกับเชื้อเพลิงชีวภาพพวกเขาก็แนะนำวิธีแก้ปัญหาที่มีแนวโน้ม บนขอบฟ้าเอธานอลเซลลูโลสคือบางครั้งเรียกว่า "หญ้า" ไม้หรือหญ้าที่เป็นวัตถุดิบสำหรับสิ่งเหล่านี้เรียกว่าเชื้อเพลิงชีวภาพรุ่นที่สองสามารถปลูกได้ในดินแดนชายขอบ (ดังนั้นจึงไม่สามารถแข่งขันกับพื้นที่เพาะปลูกพืชอาหาร) และต้องการปุ๋ยน้อยลงตามที่นักวิศวกร George Huber แห่งมหาวิทยาลัย Massachusetts Amherst อุตสาหกรรมเชื้อเพลิงชีวภาพเซลลูโลสที่เป็นผู้ใหญ่จะสามารถแข่งขันกับน้ำมันที่ประมาณ $ 50 ต่อบาร์เรลและส่งเชื้อเพลิงไปยังปั๊มที่ประมาณ $ 2 ต่อแกลลอนฮูเบอร์และเพื่อนร่วมงานมหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกนของเขาบรูซเดลกล่าว
แต่วิสัยทัศน์นั้นยังคงเป็นเวลาหลายปี Howarth ชี้ให้เห็น ในขณะเดียวกันรายงานของ SCOPE ชี้ให้เห็นว่าแม้แต่น้ำมันเบนซินอาจไม่ใช่สิ่งที่ดีที่สุดในการใช้ชีวมวล: "โลกจะดีกว่าถ้าใช้เซลลูโลสโดยตรงสำหรับการเผาไหม้" Howarth กล่าว "ถ้าคุณพยายามใช้ชีวมวลแบบไม่หยุดนิ่งก็จะมีประสิทธิภาพมากกว่าเดิม" การเผาไหม้โดยตรงของ switchgrass สำหรับความร้อนและไฟฟ้าสามารถให้พลังงานได้มากกว่า 2.6 เท่าเมื่อเทียบกับแหล่งเดียวกันกับเอทานอลและ 9 เท่าของพลังงานมากกว่าการผลิตเอทานอลจากข้าวโพด หลักฐานออกมาแล้ว: ร้อยละ 35 ของบ้านเรือนและอาคารพาณิชย์ในสวีเดนได้รับความร้อนจากการเผาไหม้ของชีวมวล
ตอนนี้เชื้อเพลิงชีวภาพเป็นประเด็นร้อน แต่บทสนทนาของปัญหาเกี่ยวกับปุ๋ยและมลพิษไนโตรเจนนั้นซับซ้อนกว่ามาก สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับความท้าทายคือความต้องการใช้ปุ๋ยมากขึ้นเพื่อต่อสู้กับความหิวโหยในหลาย ๆ ส่วนของโลกอลันทาวน์เซนด์จากมหาวิทยาลัยโคโลราโดแห่งโบลเดอร์กล่าว ทาวน์เซนด์เช่น Howarth ได้ใช้เวลา 15 ปีที่ผ่านมาในการวิเคราะห์การรบกวนของมนุษย์ต่อวัฏจักรไนโตรเจนทั่วโลก จำเป็นต้องใช้ปุ๋ยมากขึ้นเพื่อช่วยป้อนประชากรที่กำลังเติบโตในประเทศกำลังพัฒนาส่วนใหญ่แต่ทว่าความผิดพลาดของตะวันตกกำลังเกิดขึ้นที่อื่น การศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนกุมภาพันธ์ชี้ให้เห็นว่าจีนสามารถลดการใช้ปุ๋ยลงได้หนึ่งในสามโดยไม่ทำให้ผลผลิตลดลง การแสวงหาอาหารที่มีเนื้อมากซึ่งต้องการการผลิตพืชที่ได้รับการปฏิสนธิเป็นจำนวนมากเพื่อเลี้ยงสัตว์นั้นเป็นปัญหาอีกอย่างหนึ่งที่ทาวน์เซนด์และฮาวร์ ธ กล่าว
แม้จะมีคำเตือนที่น่ากลัว แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่ได้มองโลกในแง่ร้าย การค้นพบของฮาเบอร์เป็นสิ่งมหัศจรรย์มานานนับศตวรรษ เราต้องฉลาดกว่าเกี่ยวกับวิธีการใช้

แผนที่เครื่องบินอัตโนมัติแผนที่ทะเลน้ำแข็งและรอยหมีขั้วโลกpneumothorax คืออะไร?Mosaic of Lakes and Seas พบที่ Moon Titan ของดาวเสาร์ทำไมสมองทำตามกฎเมื่อน้ำท่วมหมู่เกาะแปซิฟิกมีการอพยพที่ขับเคลื่อนด้วยสภาพอากาศมนุษย์เห็ดในฟาร์มเพาะกายสำหรับต้นไม้นักวิทยาศาสตร์ถอนรากนักฆ่าการฉีดน้ำเสียที่เกิดจากแผ่นดินไหวในโอคลาโฮมา