Nitrogen Gjødsel: Landbruk Gjennombrudd - Og Miljøbane


For hundre år siden denne måneden satte et laboratorieeksperiment ved Universitetet i Karlsruhe i Tyskland scenen for den grønne revolusjonen. Kjemiker Fritz Haber plasserte et ark osmium i et stålkammer, pumpet i en blanding av nitrogen og hydrogengasser, og svekket opp varmen og trykket. Deretter strømmet ut ammoniakk, det unnvikende råmaterialet for produksjon av syntetisk gjødsel. Det v

For hundre år siden denne måneden satte et laboratorieeksperiment ved Universitetet i Karlsruhe i Tyskland scenen for den grønne revolusjonen. Kjemiker Fritz Haber plasserte et ark osmium i et stålkammer, pumpet i en blanding av nitrogen og hydrogengasser, og svekket opp varmen og trykket. Deretter strømmet ut ammoniakk, det unnvikende råmaterialet for produksjon av syntetisk gjødsel. Det var eureka-øyeblikket som forskerne hadde forfulgt i et tiår: Haber klarte å skape de nødvendige forholdene for å transformere nitrogengass, rikelig i atmosfæren, men ubrukelig for livet, til en fordøyelig form. Arbeidet ville tjene Haber 1918 Nobelprisen i kjemi. (Mange protesterte prisen fordi Haber hadde vært medvirkende i å utvikle og distribuere klorgass til Tyskland under første verdenskrig.)
En gang iverksatt i industriell skala aktiverte ammoniakksyntese den utbredte befruktningen av avlinger i årtier dermed. Som et direkte resultat økte verdens befolkning fra 1, 6 milliarder til seks milliarder i løpet av det 20. århundre. Men Habers nærende funn har en mørk side han sannsynligvis aldri hadde forestilt seg. Gjødselbommen, lenge uberettiget, har kommet til en høy pris for miljøet.
Og nå, ifølge en ny rapport som skal utgis senere i måneden av Vitenskapskomiteen for miljøproblemer (SCOPE) fra International Council of Science, kan samfunnets ambisjon om å bruke biodrivstoff for å sparke oljeavhengigheten, komme tilbake. Ved å øke nitrogenforurensningen kan en forretningsmessig tilnærming til biodrivstoffproduksjon øke global oppvarming, trusler mot matssikkerhet og menneskers åndedrettsproblemer i tillegg til kjente økologiske problemer. Forskere har lenge kjent at det reaktive nitrogenet i utvinning av gjødsel fra landbruksfelt (samt de mindre mengdene som kommer ut av avløpsrør og røyker) får ødeleggelse når de går gjennom luft og elver. Rogue næringsstoffer sporer ofte skadelige algblomstrer når de flyter ut i havet, og hundrevis av elvemunning over hele verden lider av såkalte sesongmessige dødsoner som et resultat. "Vi kommer til det punktet der døde soner vil være kontinuerlige band rundt kontinenter, " advarer marine økolog Jeremy Jackson of Scripps Institutt for Oceanografi i La Jolla, California.
Å fikse nitrogenproblemet ligger i hjertet av Jacksons kall for å gjøre den grønne revolusjonen virkelig grønn, en følelse echoed av forskere rundt om i verden. En primær skyldige: såkalte førstegenerasjonsbrensel, som i stor grad er basert på gjæring av stokk og mais sukker.
"Produksjonen av etanol fra mais i USA er en katastrofe når det gjelder gjødsel som strømmer ned i Mississippi-elven, sier Cornell University miljøbiolog Robert Howarth, leder av International SCOPE Biofuels Project. US Energy Independence and Security Act fra 2007, bestått med sterk bipartisan støtte, satte et mål om å produsere 54 milliarder liter etanol fra mais innen 2022. Men ny forskning som er skissert i SCOPE-rapporten indikerer at uten endring av praksis, møte dette målet kunne øke nitrogen fluxen i Mississippi med 37 prosent. Det danner etanolproduksjon overveldende mot et annet nasjonalt mål: å redusere nitrogenstrømmen i samme elv med minst 40 prosent for å redusere størrelsen på den døde sonen i den nordlige Mexicogolfen.
Korn er en plagsom biodrivstoffkilde, spesielt fra et nitrogen-synspunkt, sier Howarth. Typisk kornavl praksis er å påføre høye doser gjødsel, med betydelige tap i omgivelsene. Korn har svært grunne røtter i forhold til de fleste avlinger, og kan derfor bare bruke nitrogen i de øverste ett til to tommer (0, 4 til 0, 8 cm) av jorda. Dessuten tar det bare opp nitrogen og andre næringsstoffer i 60 dager ut av året. Andre avlinger som soya og hvete har dypere røtter som er aktive lenger. Men den stigende prisen på mais har oppmuntret bønder til å vokse mer av dette "nitrogen lekkende" kornet. Land avsatt for bevaringsformål, samt noen aktive soyabønner og hvetefelt blir omgjort til aktiv kornkultivering.
Likevel, denne veksten i kornproduksjonen kan ikke håpe å gjøre det mulig for verden å nå sine etanolproduksjonsmål, sier rapporten. USA, for eksempel, satte 24 prosent av 2007-kornhøsten inn i etanol, men det sjenerøse bidraget utgjorde bare 1, 3 prosent av landets bruk av flytende brensel. Basert på dette og andre tidlige funn, kan SCOPE-rapportprosjektene som erstatter 10 prosent av flytende fossile brensler som brukes til transport med biodrivstoff, kreve en tredjedel av verdens beitejord, noe som ikke bare forårsaker problemer med nitrogenforurensning, men også mattrygghet.
Nåværende biodrivstoffmål gir andre store problemer for global oppvarming og menneskers helse som Howarth sier forskere har "lenge undervurdert". Gjødsel frigjør betydelige mengder nitrogenoksid, en drivhusgass med 300 ganger varmekapasiteten til karbondioksid (CO2). En 2007-analyse fra Nobelpristageren Paul Crutzen fra Max Planck-instituttet for kjemi i Mainz, Tyskland, og hans kolleger antyder at for de fleste nåværende biobrenselavlinger, inkludert mais, vil eventuelle CO2-besparelser bli utslettet av høyere utslipp av nitrogenoksid og nitrogenoksid . Den sistnevnte ødelegger såkalt "bra" ozon, noe som beskytter livet mot skadelig ultrafiolett stråling; Det brenner også produksjon av bakkenivå ozon, hovedbestanddelen i smog som er allment kjent for å forverre menneskets respiratoriske lidelser. Ifølge US Environmental Protection Agency bor millioner av amerikanere i områder som overskrider nasjonale standarder for ozoneksponering.
Selv når forskere lytter alarmen på biodrivstoff, foreslår de lovende løsninger. I horisonten er cellulosetanol, noen ganger kalt "gressolin". De tre- eller tregressene som er råstoffene til disse såkalte andre generasjons biodrivstoff, kan dyrkes på marginale landområder (derved ikke konkurrere om plass med matavlinger) og trenger mye mindre gjødsel, ifølge kjemisk ingeniør George Huber ved University of Massachusetts Amherst. En moden cellulosebilbrenselindustri vil kunne konkurrere med olje på rundt $ 50 per fat og levere drivstoff til pumpen på rundt $ 2 per gallon, sier Huber og hans Michigan State University kollega Bruce Dale.
Men visjonen er fortsatt flere år, peker Howarth ut. I mellomtiden foreslår SCOPE-rapporten at selv gresskorn kanskje ikke er den beste bruken av biomasse: "Verden ville være bedre å bruke cellulosen direkte for forbrenning, " sier Howarth. "Hvis du prøver å bruke biomasse på en stasjonær måte, er det mye mer effektivt." Direkte forbrenning av switchgrass for varme og elektrisitet kan gi 2, 6 ganger mer energi enn å konvertere samme kilde til etanol og 9 ganger mer energi enn å produsere etanol fra mais. Beviset er der ute: 35 prosent av boliger og kommersielle bygninger i Sverige oppvarmes ved forbrenning av biomasse, hovedsakelig på vilje dyrket på nærliggende plantasjer.
Biodrivstoff er et hett emne akkurat nå, men det er langt mer komplekst at litauen av problemer rundt gjødsel og nitrogenforurensning er stor. Fremtredende blant utfordringene er behovet for å bruke mer gjødsel for å bekjempe sult i mange deler av verden, påpeker økolog Alan Townsend fra University of Colorado i Boulder. Townsend, som Howarth, har brukt mye av de siste 15 årene til å analysere de menneskelige forstyrrelsene i den globale kvartsyklusen. Mer gjødsel er svært nødvendig for å hjelpe til med å mate voksende befolkninger i mye av utviklingsverdenen, og likevel blir feil i Vesten gjentatt andre steder. En studie publisert i februar tyder på at Kina kunne kutte sin bruk av gjødsel med en tredjedel uten å redusere avkastningen. Forfølgelsen av kjøttintensive dietter, som krever massiv produksjon av befruktede avlinger for å mate dyr, er et annet problem som Townsend og Howarth påpeker.
Til tross for deres alvorlige advarsler er ingen forsker en pessimist. Habers oppdagelse har vært et mirakel i et århundre, sier Howarth. Vi trenger bare å være smartere om hvordan vi bruker det.

Klimaendringer treffer Amerika i sin søte tannHva forårsaker en vulkan å ødelegge, og hvordan forutsier forskere forstyrrelser?Mysteriet over fedme 'Svindel'Møt satellittene som kan tydeliggjøre metan og karbondioksidlekkasjeKlimamodell viser grenser for globale forurensningslofterForskere blir til droner for nærmere titt på arktisk sjøisBacklash til Big Bang Discovery samler dampSlik holder du avfall olje ut av vannforsyningen