农业对氮的渴望超越了地球的边界 2018-11-06 09:14:01

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地球行星有其生物物理子系统的界限到2009年,我们已经超过了三个界限 - 气候变化,生物多样性丧失和氮循环气候变化是各国政府的首要问题,并且联合国已经制定了一个联盟公约

自1993年以来的生物多样性但氮循环的急剧变化受到的关注较少人类自1950年以来大气氮的固定速度增加了一倍以上固定氮使其具有化学活性,因此可用于制造肥料和爆炸物固定氮是必需的肥料但是它的环境影响是严重的,特别是当用于过量时它会导致从气候变化到沿海死区的环境问题氮肥对植物生长至关重要:植物大约4%氮因此约1亿吨(兆吨)氮肥每年施用于农作物考虑到自然,这是相当多的氮l固氮(从大气形式到植物和动物可用的形式)仅仅是225 MtN /年的两倍以上传统上氮肥来自动物粪便或鸟粪,或固氮豆类豆科植物与细菌有共生关系他们的根源可以从大气中解决氮气但是这些天然氮源不足以支持今天的高产农业我们几乎所有的氮肥都含有通过一种称为Haber-Bosch工艺的方法从大气氮中固定到氨中的氮

Haber-Bosch工艺由Haber于1909年发明并于1913年由博世商业化

在第一次世界大战期间德国与智利硝酸盐供应中断的过程变得特别重要

该工艺在战争期间用于爆炸性制造,但其过去半个世纪以来最大的用途是肥料生产Haber-Bosch工艺对氮循环的影响在淡水湖泊沉积物中的氮同位素中可以看出人类开始影响工业革命期间的氮循环,通过燃烧化石燃料释放的氮氧化物但是主要的变化是自绿色革命以来的最近50年农业用Haber-Bosch工艺固定的氮现在几乎是生物圈投入的氮的一半,与天然投入相比(Haber-Bosch的年产量为1亿吨N /年,而天然来源的年产量为230万吨N)几乎所有这些都有自20世纪50年代以来一直被添加氮气最明显的影响之一是水生生态系统过剩的氮气流入淡水和海洋环境,导致藻类大量繁殖,水中氧气损失和水生动物死亡超过5亿美元的价值氮肥每年流入密西西比州除了经济损失外,氮还会导致浮游植物大量繁殖,从而造成严重的死亡区域和随后的鱼类死亡最近在波罗的海开花的大小只有德国的一半在澳大利亚,大堡礁现在的氮含量是欧洲定居前的58倍

不明显的是氮肥使用和滥用导致的温室气体固氮制肥能源密集型工艺占世界能源使用量的2%对气候变化来说更糟糕的是,过量氮肥被土壤细菌分解时释放的氮氧化物这些气体的效力是二氧化碳的300倍,因为温室气体更有针对性的定时和放置:如果在生长的正确阶段和植物的根部施用肥料而不是枝条,植物可以更好地吸收肥料

传统做法 - 例如在冬季降雪之前播种种子时施肥一次 - 效率低于多个较小的应用程序通过更谨慎的应用,全世界的农民可以节省资金和环境氮肥联合国粮食及农业组织已经针对不同地区和作物研究了这个问题,并提出了一份关于发展中国家如何更有效地改善土壤健康和使用氮肥的情况说明书欧洲农民现在必须考虑氮肥他们施肥于农作物,识别植物,土壤,水等 养殖氮效率植物:提高氮肥利用效率的另一种方法是改善植物本身虽然为了提高产量和抗病性而在种植作物方面付出了相当大的努力,但由于氮肥的作用,很少有人努力改善氮肥的使用

传统上一直很便宜世界各地的研究人员正在努力培育更有效利用肥料的植物品种植物在从土壤中吸收氮气并在吸收土壤后使用氮肥更有效氮气还有很长的路要走生物多样性丧失和气候变化等问题已经达到公众意识水平我们已经习惯于根据预算来研究二氧化碳和其他温室气体排放类似的氮气系统在跟踪我们如何处理这个问题时非常有用行星边界欧洲的农业已经开始实施氮问责制,并且可能是非常重要的在其他地方发表了什么消费者可以做些什么才能有所作为

欧洲氮评估已经通过视频介绍了这个问题,该视频介绍了氮足迹的概念,如减少碳足迹,这一切都是为了降低能源,运输,水和某些食物的消耗量

这样可以减少氮的产生量 - 燃烧过程的产物和农业中使用的量,如果你吃的氮更有效的食物(你可以通过增加你的植物性食物而不是动物蛋白的消费达到基本水平)氮循环受到人类活动的强烈影响Haber-Bosch过程使我们能够提高农业生产力并使人口维持在比没有它的情况下更大的规模但是这些活动对环境产生了很大的影响,如果有的话,跨越地球边界会导致环境迅速变化地球系统中的非线性响应氮循环只是行星边界之一在人性上超越,但这是我们不能忽视的