سيفنا النيتروجيني ذو الحدين
يوجد النيتروجين كازدواجية عميقة في أنظمة الأرض. شكله الجوي الخامل ($N_2$) يشكل أكثر الغازات وفرة حول الكوكب. عندما يتحول إلى أشكال تفاعلية من خلال عمليات التثبيت، يتحول النيتروجين إلى لبنة أساسية للبروتينات والحمض النووي، ليصبح محرك الإنتاجية الزراعية التي تغذي مليارات البشر.
على مدار معظم التاريخ البشري، ظل تحويل النيتروجين الجوي إلى مركبات داعمة للحياة حكراً على البرق والميكروبات المتخصصة. فرضت هذه العملية الطبيعية حدوداً صارمة ومستدامة على كمية الحياة التي يمكن للأرض دعمها. حطم اختراع عملية هابر-بوش في القرن العشرين هذا القيد الطبيعي، ممكناً تصنيع الأسمدة النيتروجينية على نطاق صناعي. ضاعفت الأنشطة البشرية معدل دخول النيتروجين التفاعلي إلى الدورة الأرضية12.
من التربة القديمة إلى اكتشاف متفجر
تطورت علاقة البشرية بالنيتروجين من اكتشاف بطيء إلى تغيير ثوري مفاجئ. مارست المجتمعات الزراعية إدارة النيتروجين البديهية لآلاف السنين من خلال تناوب المحاصيل وإراحة الحقول واستخدام السماد الطبيعي. ظهر شعور عميق بأزمة وشيكة في نهاية القرن التاسع عشر. حذر السير ويليام كروكس في خطابه البارز عام 1898 من أن العالم يواجه مجاعة جماعية ما لم يكتشف العلماء طريقة لتصنيع الأسمدة النيتروجينية من الهواء3.
وصل الحل بعد أكثر من عقد من خلال عملية هابر-بوش، التي طورها الكيميائيان الألمانيان فريتز هابر وكارل بوش وتم توحيدها في عام 191334. استخدمت هذه العملية درجات حرارة وضغوط عالية لدمج النيتروجين الجوي ($N_2$) مع الهيدروجين لإنتاج الأمونيا ($NH_3$). أكثر من نصف جميع الأسمدة الصناعية المطبقة في تاريخ البشرية حتى عام 1990 استُخدمت في الثمانينيات وحدها2.
بوابات فيضان النيتروجين مفتوحة على مصراعيها
تولد الأنشطة البشرية حالياً نيتروجيناً تفاعلياً أكثر من جميع العمليات الطبيعية الأرضية مجتمعة12. تدفع ثلاثة مصادر رئيسية هذا الطوفان: إنتاج الأسمدة الصناعية عبر عملية هابر-بوش، واحتراق الوقود الأحفوري الذي يطلق أكاسيد النيتروجين ($NO_x$)، وزراعة المحاصيل المثبتة للنيتروجين على نطاق واسع مثل فول الصويا.
تتجلى عواقب التحميل الزائد للنيتروجين عالمياً. استقر استخدام الأسمدة في العديد من الدول المتقدمة لكنه ارتفع بشكل كبير في الدول النامية12. أكسيد النيتروز ($N_2O$) هو غاز دفيئة أقوى بحوالي 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون5. يغذي جريان النيتروجين الزائد التخثث - ازدهار الطحالب الهائل الذي يستهلك الأكسجين، مما يخلق “مناطق ميتة” ساحلية ومياه عذبة واسعة56.
موجة متصاعدة من المتاعب بحلول 2050
يقدم مسار تلوث النيتروجين تهديداً صارخاً ومتصاعداً للاستقرار العالمي. تشير التوقعات إلى أن أحواض الأنهار التي تعاني من ندرة حادة في المياه النظيفة بسبب تلوث النيتروجين قد تتضاعف ثلاث مرات بحلول عام 20507. قد يؤثر هذا التوسع بشكل مباشر على 3 مليارات شخص إضافي7.
قدر إجمالي تكلفة الأضرار العالمية لتلوث النيتروجين بحوالي 1.1 تريليون دولار أمريكي في عام 20108. من المتوقع أن ترتفع هذه التكاليف العالمية بشكل أسرع من الفوائد الزراعية المستمدة من استخدام النيتروجين بحلول عام 20508.
فك تشابك مشكلة شريرة ولزجة
يقدم تحدي النيتروجين العالمي “مشكلة شريرة” حيث تتشابك الحلول المحتملة مع جوانب أساسية من أنظمة الغذاء والطاقة العالمية. تواجه العديد من الدول النامية، وخاصة في أفريقيا جنوب الصحراء، ليس فائضاً في النيتروجين بل عجزاً، حيث تفتقر إلى الوصول الكافي للأسمدة لتحقيق الأمن الغذائي9.
تكشف التحليلات العالمية أن ما يقرب من ثلثي السياسات الزراعية المتعلقة بالنيتروجين تحفز استخدامه أو تدير تجارته، مع إعطاء الأولوية لإنتاج الغذاء على حماية البيئة10. لا تزال أزمة النيتروجين غير معروفة إلى حد كبير خارج الدوائر العلمية، مما يعيق الإرادة السياسية اللازمة للتغيير النظامي5.
إعادة كتابة سرد النيتروجين
يتضمن التحول الزراعي استراتيجية متعددة الأوجه ملخصة في “4Rs” لإدارة المغذيات: تطبيق المصدر الصحيح من الأسمدة بالمعدل الصحيح، في الوقت الصحيح، وفي المكان الصحيح. تعمل الزراعة الدقيقة كممكّن رئيسي، باستخدام تقنيات مثل مستشعرات التربة والمعدات الموجهة بنظام GPS11.
تحسن الممارسات الزراعية البيئية مثل زراعة الغطاء والتناوب المحصولي المعقد صحة التربة بشكل كبير11. يؤدي تقليل استهلاك اللحوم، خاصة من عمليات الزراعة المكثفة ذات البصمة النيتروجينية الكبيرة، إلى خفض الطلب الإجمالي بشكل كبير11.
ضغط مساحة آمنة لعنصر متقلب
يتصور نموذج اقتصاديات الدونات أزمة النيتروجين بوضوح. شهد الحد الكوكبي للتدفقات الكيميائية الحيوية، وتحديداً النيتروجين، تجاوزاً هائلاً، مما يمثل أحد أشد مجالات التجاوز البيئي126. يغذي هذا التجاوز بشكل مباشر تجاوز حدود كوكبية أخرى. إطلاق أكسيد النيتروز ($N_2O$) يساهم مباشرة في تغير المناخ، بينما يدفع جريان النيتروجين الزائد فقدان التنوع البيولوجي من خلال التخثث15.
معالجة تلوث النيتروجين أمر حاسم لأهداف التنمية المستدامة 14 (الحياة تحت الماء)، وهدف التنمية المستدامة 2 (القضاء على الجوع)، وهدف التنمية المستدامة 6 (المياه النظيفة والصرف الصحي)69.
اختيار الوفرة على عالم يغرق في النفايات
تقف البشرية عند مفترق طرق حاسم فيما يتعلق بعلاقات النيتروجين. العنصر الذي مكّن من نمو غير مسبوق يهدد الآن استقرار النظام البيئي الذي يعتمد عليه البقاء. يتطلب الطريق إلى الأمام تحولات جوهرية في المنظور - من النظر إلى النيتروجين كسلعة رخيصة يمكن التخلص منها إلى تقديره كمورد ثمين محدود يتطلب إدارة دقيقة. تمثل إعادة كتابة سرد النيتروجين اختيار وفرة حقيقية ودائمة بدلاً من الغرق في النفايات.