شمشیر دولبه نیتروژنی ما
نیتروژن به عنوان یک دوگانگی عمیق در سیستمهای زمین وجود دارد. شکل جوی بیاثر آن ($N_2$) فراوانترین گاز اطراف سیاره را تشکیل میدهد. هنگامی که از طریق فرآیندهای تثبیت به اشکال واکنشی تبدیل میشود، نیتروژن به یک بلوک ساختمانی بنیادی برای پروتئینها و DNA تبدیل میشود و موتور بهرهوری کشاورزی میشود که میلیاردها نفر را تغذیه میکند.
در بیشتر تاریخ بشر، تبدیل نیتروژن جوی به ترکیبات حفظکننده حیات انحصاراً در حوزه رعد و برق و میکروبهای تخصصی باقی ماند. این فرآیند طبیعی محدودیتهای سخت و پایدار بر مقدار زندگی که زمین میتوانست پشتیبانی کند اعمال کرد. اختراع فرآیند هابر-بوش در قرن بیستم این محدودیت طبیعی را شکست. فعالیتهای انسانی نرخ ورود نیتروژن واکنشی به چرخه زمینی را دو برابر کرده است12.
از خاکهای باستانی تا کشف انفجاری
رابطه بشریت با نیتروژن از کشف آهسته به تغییر ناگهانی و انقلابی تکامل یافت. جوامع کشاورزی برای هزاران سال مدیریت نیتروژن شهودی را از طریق تناوب محصول، آیش گذاشتن مزارع و استفاده از کود دامی تمرین کردند. احساس عمیق بحران قریبالوقوع در پایان قرن نوزدهم ظهور کرد. سر ویلیام کروکس در سخنرانی تاریخی خود در سال ۱۸۹۸ هشدار داد که جهان با قحطی انبوه روبرو است مگر اینکه دانشمندان روشی برای سنتز کود نیتروژنی از هوا کشف کنند3.
راهحل کمی بیش از یک دهه بعد از طریق فرآیند هابر-بوش رسید که توسط شیمیدانان آلمانی فریتز هابر و کارل بوش توسعه یافت و در سال ۱۹۱۳ استاندارد شد34. این فرآیند از دماها و فشارهای بالا برای ترکیب نیتروژن جوی ($N_2$) با هیدروژن برای تولید آمونیاک ($NH_3$) استفاده کرد. بیش از نیمی از تمام کودهای صنعتی استفاده شده در تاریخ بشر تا سال ۱۹۹۰ فقط در دهه ۱۹۸۰ استفاده شد2.
دروازههای سیل نیتروژن کاملاً باز است
فعالیتهای انسانی در حال حاضر نیتروژن واکنشی بیشتری نسبت به تمام فرآیندهای طبیعی زمینی تولید میکنند12. سه منبع اصلی این سیل را هدایت میکنند: تولید کود صنعتی از طریق فرآیند هابر-بوش، سوزاندن سوختهای فسیلی که اکسیدهای نیتروژن ($NO_x$) آزاد میکند، و کشت گسترده محصولات تثبیتکننده نیتروژن مانند سویا.
پیامدهای بار اضافی نیتروژن در سطح جهانی آشکار میشود. مصرف کود در بسیاری از کشورهای توسعهیافته تثبیت شده اما در کشورهای در حال توسعه به طور چشمگیری افزایش یافته است12. اکسید نیتروژن ($N_2O$) یک گاز گلخانهای است که تقریباً ۳۰۰ برابر قویتر از دیاکسید کربن است5. رواناب نیتروژن اضافی باعث یوتروفیکاسیون میشود—شکوفایی عظیم جلبکها که اکسیژن مصرف میکنند و «مناطق مرده» ساحلی و آب شیرین گسترده ایجاد میکنند56.
موج فزاینده مشکل تا سال ۲۰۵۰
مسیر آلودگی نیتروژن تهدیدی شدید و تشدیدشونده برای ثبات جهانی ارائه میدهد. پیشبینیها نشان میدهد که حوضههای رودخانهای که به دلیل آلودگی نیتروژن با کمبود شدید آب تمیز مواجه هستند میتوانند تا سال ۲۰۵۰ سه برابر شوند7. این گسترش میتواند مستقیماً ۳ میلیارد نفر دیگر را تحت تأثیر قرار دهد7.
هزینه کل خسارت جهانی آلودگی نیتروژن در سال ۲۰۱۰ تقریباً ۱.۱ تریلیون دلار آمریکا برآورد شد8. پیشبینی میشود این هزینههای جهانی تا سال ۲۰۵۰ سریعتر از مزایای کشاورزی ناشی از استفاده از نیتروژن افزایش یابد8.
باز کردن یک شبکه پیچیده و چسبناک
چالش جهانی نیتروژن یک «مشکل پیچیده» ارائه میدهد که در آن راهحلهای بالقوه با جنبههای اساسی سیستمهای غذا و انرژی جهانی در هم تنیده شدهاند. بسیاری از کشورهای در حال توسعه، به ویژه در آفریقای جنوب صحرا، نه با مازاد نیتروژن بلکه با کمبود مواجه هستند و فاقد دسترسی کافی به کود برای دستیابی به امنیت غذایی هستند9.
تحلیل جهانی نشان میدهد که تقریباً دو سوم سیاستهای کشاورزی مرتبط با نیتروژن در واقع استفاده از آن را تشویق میکنند یا تجارت آن را مدیریت میکنند و تولید غذا را بسیار بالاتر از حفاظت محیط زیست اولویت میدهند10. بحران نیتروژن تا حد زیادی در خارج از محافل علمی ناشناخته باقی مانده است که اراده سیاسی مورد نیاز برای تغییر سیستمی را مانع میشود5.
بازنویسی روایت نیتروژن
تحول کشاورزی شامل یک استراتژی چندجانبه خلاصهشده در «4R» مدیریت مواد مغذی است: استفاده از منبع درست کود با نرخ درست، در زمان درست و در مکان درست. کشاورزی دقیق با استفاده از فناوریهایی مانند حسگرهای خاک و تجهیزات هدایتشده GPS به عنوان یک توانمندساز کلیدی عمل میکند11.
روشهای اکولوژی کشاورزی مانند کشت پوششی و تناوب پیچیده محصول سلامت خاک را به طور قابل توجهی بهبود میبخشد11. کاهش مصرف گوشت، به ویژه از عملیات کشاورزی متمرکز با ردپای نیتروژن بزرگ، تقاضای کلی را به طور چشمگیری کاهش میدهد11.
فشردن یک فضای امن برای یک عنصر فرار
مدل اقتصاد دونات بحران نیتروژن را به وضوح تجسم میکند. مرز سیارهای برای جریانهای بیوژئوشیمیایی، به ویژه نیتروژن، تجاوز گستردهای را تجربه کرده است که یکی از شدیدترین مناطق تجاوز اکولوژیکی را نشان میدهد126. این تجاوز مستقیماً باعث تجاوز از سایر مرزهای سیارهای میشود. انتشار اکسید نیتروژن ($N_2O$) از خاکهای کوددار مستقیماً به تغییرات اقلیمی کمک میکند، در حالی که رواناب نیتروژن اضافی از طریق یوتروفیکاسیون باعث از دست دادن تنوع زیستی میشود15.
مقابله با آلودگی نیتروژن برای SDG 14 (زندگی زیر آب)، SDG 2 (گرسنگی صفر) و SDG 6 (آب تمیز و بهداشت) حیاتی است69.
انتخاب فراوانی به جای جهانی غرق در زباله
بشریت در یک تقاطع بحرانی در رابطه با روابط نیتروژن ایستاده است. عنصری که رشد بیسابقه را ممکن ساخت اکنون ثبات اکوسیستمی را که بقا به آن وابسته است تهدید میکند. مسیر پیش رو نیازمند تغییرات اساسی در دیدگاه است—از دیدن نیتروژن به عنوان یک کالای ارزان و یکبار مصرف به ارزشگذاری آن به عنوان یک منبع گرانبها و محدود که نیازمند مدیریت دقیق است. بازنویسی روایت نیتروژن نشاندهنده انتخاب فراوانی واقعی و پایدار به جای غرق شدن در زباله است.