Величезна кількість азоту, що виливається на сільськогосподарські поля, спричиняє катастрофу з нашими лісами. Нікола Носенго займається дослідженням.

Жовто-коричневе листя і стоншення крони, які розкидані по всьому світу, свідчать про те, що деякі дерева рано гинуть. Але винуватець може стати несподіванкою. Це не просто забруднення від випарів автомобілів або пошкодження комах через глобальне потепління. Наші ліси стикаються зі спокійнішим лиходієм. Вони переживають дуже те, що забезпечувало людей їжею протягом останніх ста років - добривами.

Застосування добрив різко змінилося у ХХ столітті. Наприкінці 1890-х років люди намагались отримати достатньо добрив для своїх полів - головними джерелами були пташине гуано з тихоокеанських островів та селітра з пустелі Чилі. Але по мірі зростання населення світу стало зрозуміло, що нам потрібен дешевий і простіший спосіб отримати корисну форму азоту. Цю проблему у 1909 р. Вирішили Фріц Габер та Карл Бош, які розробили перший промисловий процес перетворення газоподібного азоту (N2) у повітрі в аміак (NH3). Результатом стало оперативне постачання дешевих добрив, яке відтоді зумовило глобальне виробництво продуктів харчування.

Але цей успіх зараз стає екологічною катастрофою. Невикористане добриво вимиває поля в річки, отруюючи прибережні води та викликаючи кислотні дощі. Вчені побоюються, що ця повінь їжі може спричинити повільну та, можливо, безповоротну загибель наших лісів.

Азот - відносно нереактивний газ. Однак завдяки роботі деяких бактерій, спалюванню викопного палива або виробництву добрив, він може виробляти ряд реакційноздатних молекул. Ця група молекул, відома як реактивний азот, включає аміак, нітрат-іони (NO 3 -) та оксиди азоту (NO x), і за минуле століття його виробництво зросло більш ніж удвічі.

Їжа для роздумів

До початку XIX століття найбільш реактивний азот вироблявся бактеріями і становив близько 100 мільйонів тонн на рік. Однак лише людська діяльність зараз виробляє понад 160 мільйонів тонн на рік (посилання 2) - 25 мільйонів тонн завдяки спалюванню викопного палива, переважно в автомобілях, і понад 100 мільйонів тонн від виробництва промислових добрив. Якщо поточні темпи приросту продовжуватимуться, прогнозується, що глобальне виробництво реактивного азоту до 2100 року становитиме від 250 до 900 мільйонів тонн на рік.

Проблема в тому, що велика частина цього азоту не потрапляє там, де повинна бути - у нашій їжі. Джеймс Геллоуей, вчений-еколог з Університету Вірджинії в Шарлотсвіллі, підрахував, що майже половина азоту, що поширюється на полях, не забирається сільськогосподарськими культурами, а замість цього змивається.

Більшість із них через ґрунт витікає у підземні води у вигляді нітрату, який потім змивається у водойми чи прибережні води. Надлишок поживних речовин підтримує швидке зростання водоростей, які, в свою чергу, використовують багато кисню у воді, задихають рибу та інших морських мешканців. Сільськогосподарський відтік на річці Міссісіпі настільки наповнений азотом та іншими поживними речовинами, що зараз у Мексиканській затоці є величезна ділянка площею 20 000 квадратних кілометрів. У Сполучених Штатах одна третина прибережних річок та заток виявляє подібні наслідки у меншому масштабі 2 .

Рідше надлишок нітратів може потрапити у питну воду, де може спричинити синдром "синьої дитини" або метгемоглобінемію. У цьому рідкісному, але іноді летальному стані, еритроцити вже не здатні відігравати свою життєво важливу роль у перенесенні кисню в організмі, що, в свою чергу, перетворює губи дитини в блакитні та сині.

Подібний вплив на прибережне та здоров’я людей привернув увагу заголовків та громадськості, але в даний час вчених турбують більш тонкі події. Значна кількість реактивного азоту потрапляє у повітря у вигляді аміаку та NOx, де збільшує кількість озону низького рівня, що, в свою чергу, сприяє смогу та глобальному потеплінню. В атмосфері частина NO x розчиняється у водяній парі з утворенням азотної кислоти, яка падає на землю у вигляді кислотних дощів. Аміак, хоча і лужний, також може зробити грунт більш кислим - оскільки мікроби перетравлюють аміак, вони виробляють нітратні та кислі іони водню.

Значна частина цього реактивного азоту припадає на наші ліси, де результати вже видно 3. Дерева гинуть, і відносна чисельність різних видів рослин у деяких лісах почала змінюватися 4. "Вплив на ліси повільніший і менш помітний, ніж у прибережному середовищі", - говорить Геллоуей. Але це може означати, що коли ефекти проявляться, може бути занадто пізно для відновлення дерев.

Наприкінці 1980-х Джон Абер з Університету Нью-Гемпшир у Даремі описав, як ліс може реагувати на передозування азотом 5. Він припустив, що ліс, заповнений азотом, спочатку процвітає, але в якийсь момент внесення азоту перевищує попит. Оскільки рослини вже не здатні його поглинати, азот накопичується в ґрунті, особливо як нітрати. Ці негативно заряджені іони залучають позитивно заряджені іони, такі як кальцій і магній, і переносять їх на поверхню води. Це позбавляє дерева необхідних поживних речовин, як тільки зростає їх попит на них. Ослаблені дерева стають дедалі вразливішими до морозів, посухи та паразитів. Водночас зростаюча кислотність ґрунту спричиняє втрату біорізноманіття в підліску.

Отруєний грунт

запліднена

Пластиковий навіс захищає дерева у dsардсьйоні в рамках експерименту з перевірки впливу азоту.

Підтвердити гіпотезу Абер та передбачити ймовірний хід майбутніх подій - складна пропозиція. З цією метою дослідники Шведського інституту досліджень навколишнього середовища IVL у Гетеборзі вивчають насиченість азотом у лісі Гардсьон на південному сході Швеції з 1991 року. Частина лісу покрита прозорим дахом, з'єднана чистою водою і виконує роль контрольної ділянки., В іншій частині дослідники додавали 40 кг азоту на гектар на рік до ділянки, яка використовувалась для видобутку менше 10 кг з гектара з атмосферні відкладення - незабруднений ліс повинен отримувати менше 5 кг на гектар на рік. Масові передозування прискорюють процес отруєння азотом, даючи вченим уявлення про те, що може трапитися в майбутньому. "За перші п'ять років цього мало що сталося", - говорить Філіп Молдан із Шведського інституту екологічних досліджень, який координує проект. "Але з тих пір ми бачимо зміни скрізь, куди ми звернемося".

Надмірно запліднені дерева зараз ростуть швидше, ніж зазвичай, і рівень різних поживних речовин у листі змінився - як прогнозував Абер, листя містять більше азоту та менше кальцію та магнію, ніж звичайні дерева. І близько 10% доданого азоту зараз виходить з лісу як нітрат у підземні води, говорить Молдан. Він сподівається, що експеримент триватиме ще протягом десяти років, щоб побачити, як триває процес насичення. "У якийсь момент ґрунт навряд чи зможе вмістити будь-який доданий азот, і ліс почне занепадати", - прогнозує він. "Але ми не знаємо, скільки часу це займе".

Також незрозуміло, як будуть реагувати різні типи лісів. Незважаючи на те, що продовжувати не так багато інформації, дослідження показують, що вологі тропічні ліси досягають швидшого насичення азотом, ніж у помірному кліматі 6. Деякі види дерев, такі як цукровий клен та червона ялина, виявляються особливо чутливими до інших азотів і можуть повністю зникнути з деяких місць.

То як ми можемо врятувати наші ліси? Багато європейських країн намагалися протидіяти утворенню реактивного азоту шляхом вапнування - додаючи в грунт карбонати кальцію або магнію. Це знижує кислотність ґрунту і забезпечує надходження поживних речовин назад. Однак цей метод занадто дорогий у великих масштабах. Надмірне вапнування вбило б ґрунтові мікроби, знову змінюючи екосистему. "Вапнування виліковує лише симптоми, а не хвороби", - говорить Абер.

30 років тому було вирішено кілька попередніх кроків для вирішення цього питання. У 1970-х роках як сірка, так і азот були визначені джерелами кислотних дощів. Ініціативи, такі як різні національні закони, включаючи Закон 1970 року про чисте повітря в Сполучених Штатах, прагнули зменшити кількість оксидів сірки та NO x. Однак норми NO x контролювали лише обсяги виробництва окремих автомобілів, які в основному ігнорували сільськогосподарський внесок. Насправді успішними були лише перевірки сірки. "Осадження сірки в ґрунті в Європі та Північній Америці було зменшено до 70%, але осадження азоту постійне або дещо збільшується", - говорить Абер.

Скорочення

Понад 28 європейських країн підписали Гетеборзький протокол 1999 р., Однією з цілей якого є зменшення викидів NO x на 41% та аміаку на 17% до 2010 р. Порівняно з 1990 р. Трек: викиди NO x та аміаку впали на 23% і 6%. Але це головним чином завдяки контролю за згорянням викопного палива в Німеччині, Великобританії та Нідерландах, які не зможуть істотно скоротити викиди, каже Молдан. Тим часом викиди деяких європейських країн, Китаю та Росії швидко зростають.

Вчені скептично ставляться до того, наскільки ефективним буде протокол, особливо тому, що він не стосується того, як сільське господарство може зменшити викиди азоту в умовах зростаючого населення та його потреб у продуктах харчування. "Такі країни, як Китай, не мають наміру зменшувати споживання азоту", - говорить Молдан. "Насправді вони твердо вирішили його збільшити".

Вчені, про яких йде мова, зустрінуться в жовтні наступного року в Нанкіні, Китай, на 3-й Міжнародній конференції з азоту. Їх метою є розробка "Нанкінського протоколу" для вирішення проблеми азоту на глобальному рівні. За словами Геллоуей, одного з організаторів зустрічі, протокол повинен не лише містити обмеження на викиди NOx та аміаку, але й зосередитись на інтегрованому підході до управління реактивним азотом.

Мета - зробити використання азоту в сільському господарстві більш ефективним. Азот може бути перероблений із сільськогосподарських відходів, гною та забитих тварин, або повернувши його до газу N2, або до корму для тварин 7. Фермери також могли б використовувати менше добрив, якби існували способи зменшити споживання без зменшення врожаю сільськогосподарських культур. Усі ці ідеї технічно здійсненні, говорить Геллоуей, але вони настільки дорогі, що в даний момент ніхто не турбує. Це має змінитися. "Ми не можемо замінити реактивний азот, як це було зроблено з хлорфторуглеродами в холодильниках", - говорить Геллоуей. "Це нам потрібно, і це нам знадобиться в майбутньому.

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.