Nitrogen and Phosphorus Loading

ห้าฟาร์ม หกพันล้านชีวิต ใจกลางของความมั่นคงทางอาหารระดับโลกมีความขัดแย้งที่ปรากฏชัด ขณะที่เกษตรอุตสาหกรรมครองพาดหัวข่าวและการอภิปรายนโยบาย ฟาร์มครอบครัว 608 ล้านแห่งที่กระจายอยู่ในประเทศกำลังพัฒนากำลังผลิตอาหาร 35% ของโลกบนพื้นที่เกษตรเพียง 12%123 เกษตรกรรายย่อยเหล่านี้ที่ทำงานบนแปลงที่เล็กกว่าสวนหลังบ้านชานเมืองส่วนใหญ่ สนับสนุนผู้คนประมาณ 3 พันล้านคน45 - เกือบ 40% ของมนุษยชาติ กรอบเศรษฐศาสตร์โดนัทวางความมั่นคงทางอาหารเป็นรากฐานทางสังคมที่สำคัญ พร้อมรับรู้บทบาทของเกษตรกรรมในการละเมิดขอบเขตดาวเคราะห์หลายด้าน เกษตรกรรายย่อยอยู่ที่จุดตัดที่สำคัญของความท้าทายเหล่านี้ - พวกเขาเป็นทั้งทางออกในการเลี้ยงประชากรที่เพิ่มขึ้นและผู้มีส่วนในแรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมที่คุกคามความยั่งยืนระยะยาว เมื่อฟาร์มเล็กลง ปัญหาก็ใหญ่ขึ้น ตั้งแต่ปี 1960 ถึง 2000 ขนาดเฉลี่ยของฟาร์มลดลงในประเทศรายได้ต่ำและปานกลางล่างส่วนใหญ่6 ในขณะที่ฟาร์มในประเทศร่ำรวยรวมตัวเป็นการดำเนินงานอุตสาหกรรม ตัวเลขบอกเล่าเรื่องราวของความไม่เท่าเทียมที่ยังคงอยู่: 1% ของฟาร์มที่ใหญ่ที่สุดตอนนี้ดำเนินงานบนพื้นที่เกษตรมากกว่า 70% ของโลก17 ในขณะที่ 70% ของฟาร์มทั้งหมดแออัดอยู่ในพื้นที่เกษตรเพียง 7%1 แต่ฟาร์มที่เล็กที่สุดเหล่านี้แสดงผลผลิตที่โดดเด่นต่อเฮกตาร์ มักเกินผลผลิตของคู่แข่งอุตสาหกรรม ผู้หญิงได้กลายเป็นกระดูกสันหลังของเกษตรกรรม คิดเป็น 43% ของแรงงานภาคเกษตรทั่วโลกและสูงถึง 70% ในบางประเทศกำลังพัฒนา1 สมาร์ทโฟนพบกับเมล็ดพันธุ์โบราณ ความเป็นจริงร่วมสมัยของการเกษตรรายย่อยท้าทายการจัดหมวดหมู่แบบง่าย ในเอเชีย ฟาร์มที่มีพื้นที่น้อยกว่า 5 เฮกตาร์ผลิตแคลอรีอาหาร 90%82 เกษตรกรรายย่อยในแอฟริกาใต้สะฮาราสนับสนุน 50% ของแคลอรี8 แม้จะเผชิญกับสภาพการเกษตรที่ท้าทายที่สุดในโลก ...

ดาบสองคมไนโตรเจนของเรา ไนโตรเจนดำรงอยู่เป็นความเป็นคู่อย่างลึกซึ้งในระบบของโลก รูปแบบในชั้นบรรยากาศที่เฉื่อยของมัน ($N_2$) ประกอบเป็นก๊าซที่มีมากที่สุดรอบโลก เมื่อถูกแปลงเป็นรูปแบบที่มีปฏิกิริยาผ่านกระบวนการตรึง ไนโตรเจนจะเปลี่ยนรูปเป็นส่วนประกอบพื้นฐานสำหรับโปรตีนและดีเอ็นเอ กลายเป็นเครื่องยนต์ของผลผลิตทางการเกษตรที่หล่อเลี้ยงประชากรหลายพันล้านคน ตลอดประวัติศาสตร์มนุษย์ส่วนใหญ่ การแปลงไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศเป็นสารประกอบที่ค้ำจุนชีวิตยังคงเป็นอาณาเขตเฉพาะของฟ้าผ่าและจุลินทรีย์เฉพาะทาง กระบวนการธรรมชาตินี้กำหนดขีดจำกัดที่เข้มงวดและยั่งยืนต่อปริมาณสิ่งมีชีวิตที่โลกสามารถรองรับได้ การประดิษฐ์กระบวนการฮาเบอร์-บอชในศตวรรษที่ 20 ทำลายข้อจำกัดทางธรรมชาตินี้ กิจกรรมของมนุษย์ได้เพิ่มอัตราที่ไนโตรเจนที่มีปฏิกิริยาเข้าสู่วัฏจักรบนบกเป็นสองเท่า12 จากดินโบราณสู่การค้นพบที่ระเบิด ความสัมพันธ์ของมนุษยชาติกับไนโตรเจนวิวัฒนาการจากการค้นพบอย่างช้าๆ สู่การเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันและปฏิวัติ สังคมเกษตรกรรมปฏิบัติการจัดการไนโตรเจนโดยสัญชาตญาณมาหลายพันปีผ่านการหมุนเวียนพืช การพักที่ดิน และการใช้ปุ๋ยคอก ความรู้สึกลึกซึ้งของวิกฤตที่ใกล้เข้ามาเกิดขึ้นในปลายศตวรรษที่ 19 เซอร์วิลเลียม ครูกส์เตือนในสุนทรพจน์อันยิ่งใหญ่ของเขาในปี 1898 ว่าโลกจะเผชิญกับความอดอยากครั้งใหญ่เว้นแต่นักวิทยาศาสตร์จะค้นพบวิธีการสังเคราะห์ปุ๋ยไนโตรเจนจากอากาศ3 ทางออกมาถึงกว่าทศวรรษต่อมาผ่านกระบวนการฮาเบอร์-บอช พัฒนาโดยนักเคมีชาวเยอรมัน ฟริตซ์ ฮาเบอร์ และคาร์ล บอช และได้มาตรฐานในปี 191334 กระบวนการนี้ใช้อุณหภูมิและความดันสูงเพื่อรวมไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศ ($N_2$) กับไฮโดรเจนเพื่อผลิตแอมโมเนีย ($NH_3$) มากกว่าครึ่งหนึ่งของปุ๋ยอุตสาหกรรมทั้งหมดที่ใช้ในประวัติศาสตร์มนุษย์จนถึงปี 1990 ถูกใช้ในทศวรรษ 1980 เพียงอย่างเดียว2 ประตูน้ำท่วมไนโตรเจนเปิดกว้าง กิจกรรมของมนุษย์ในปัจจุบันสร้างไนโตรเจนที่มีปฏิกิริยามากกว่ากระบวนการธรรมชาติบนบกทั้งหมดรวมกัน12 แหล่งหลักสามแหล่งขับเคลื่อนน้ำท่วมนี้: การผลิตปุ๋ยอุตสาหกรรมผ่านกระบวนการฮาเบอร์-บอช การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลที่ปล่อยไนโตรเจนออกไซด์ ($NO_x$) และการเพาะปลูกพืชตรึงไนโตรเจนอย่างแพร่หลายเช่นถั่วเหลือง ผลที่ตามมาของภาระไนโตรเจนเกินแสดงออกทั่วโลก การใช้ปุ๋ยมีเสถียรภาพในหลายประเทศพัฒนาแล้วแต่เพิ่มขึ้นอย่างมากในประเทศกำลังพัฒนา12 ไนตรัสออกไซด์ ($N_2O$) เป็นก๊าซเรือนกระจกที่มีพลังมากกว่าคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 300 เท่า5 การไหลบ่าของไนโตรเจนส่วนเกินเป็นเชื้อเพลิงให้กับยูโทรฟิเคชัน—การบานของสาหร่ายขนาดใหญ่ที่บริโภคออกซิเจน สร้าง “โซนตาย” ชายฝั่งและน้ำจืดอันกว้างใหญ่56 ...

เรื่องราวที่วิวัฒนาการของแนวคิดเรื่องน้ำจืด การยอมรับน้ำจืดในฐานะทรัพยากรที่มีจำกัดและเปราะบางพร้อมขอบเขตดาวเคราะห์ได้วิวัฒนาการอย่างมีนัยสำคัญในทศวรรษที่ผ่านมา ในอดีต น้ำถูกมองผ่านเลนส์การสกัดทรัพยากรเป็นหลัก โดยคำนึงถึงข้อจำกัดด้านความยั่งยืนหรือการเข้าถึงอย่างเท่าเทียมน้อยมาก แนวคิดเรื่องขอบเขตดาวเคราะห์ (Rockström และเพื่อนร่วมงาน, 2009) รวมการใช้น้ำจืดเป็นหนึ่งในเก้ากระบวนการระบบโลกที่สำคัญอย่างชัดเจน กรอบนี้ให้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับโมเดลเศรษฐศาสตร์โดนัทที่เกิดขึ้นในปี 2012 สถานะปัจจุบันของน้ำจืดทั่วโลก ความเป็นจริงของการบริโภคและการสูบน้ำ การสูบน้ำจืดทั่วโลกเพิ่มขึ้นหกเท่าในศตวรรษที่ผ่านมา เกษตรกรรมยังคงเป็นผู้ใช้หลัก คิดเป็นประมาณ 70% ของการสูบน้ำจืดทั่วโลก ประมาณสองในสามของประชากรโลกประสบปัญหาขาดแคลนน้ำอย่างรุนแรงอย่างน้อยหนึ่งเดือนต่อปี คุณภาพและผลกระทบของมลพิษ การเสื่อมโทรมของคุณภาพน้ำเป็นอีกมิติหนึ่งของความท้าทายด้านน้ำจืด มลพิษจากอุตสาหกรรม น้ำไหลบ่าจากการเกษตร และการบำบัดน้ำเสียที่ไม่เพียงพอ ล้วนมีส่วนทำให้คุณภาพน้ำลดลงทั่วโลก การโหลดไนโตรเจนและฟอสฟอรัสสร้างยูโทรฟิเคชันในระบบน้ำจืด น้ำบาดาลและช่องว่างทางสังคม ทรัพยากรน้ำบาดาลเผชิญความท้าทายด้านความยั่งยืนเฉพาะ อัตราการลดลงของชั้นน้ำใต้ดินในภูมิภาคเกษตรกรรมหลักเกินกว่าอัตราการเติมเต็มตามธรรมชาติอย่างมาก ประมาณ 2 พันล้านคนยังคงขาดการเข้าถึงน้ำดื่มที่จัดการอย่างปลอดภัย การคาดการณ์กระแสการเปลี่ยนแปลง รูปแบบที่เปลี่ยนไปและความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอาจเป็นตัวขัดขวางที่สำคัญที่สุดต่อความพร้อมใช้งานของน้ำจืดในอนาคต การละลายของธารน้ำแข็งคุกคามความมั่นคงทางน้ำระยะยาวสำหรับคนนับพันล้าน ภายในปี 2025 ประชากรโลกครึ่งหนึ่งอาจอาศัยอยู่ในพื้นที่ที่ขาดแคลนน้ำ นวัตกรรมในเทคโนโลยีและการกำกับดูแล การนำหลักการเศรษฐศาสตร์โดนัทมาใช้ในการจัดการน้ำเปิดทิศทางที่มีแนวโน้มดี การยอมรับเศรษฐศาสตร์โดนัทของอัมสเตอร์ดัมเป็นกรอบนโยบายรวมถึงความใส่ใจเฉพาะในการจัดการน้ำ อุปสรรคต่อน้ำจืดที่ยั่งยืน ความท้าทายพื้นฐานรวมถึงการสร้างสมดุลระหว่างความต้องการที่แข่งขันกันระหว่างภาคส่วนและผู้มีส่วนได้ส่วนเสีย ระบบการกำกับดูแลน้ำมักแตกกระจายมาก และแนวทางเศรษฐกิจทั่วไปล้มเหลวในการประเมินมูลค่าทรัพยากรน้ำอย่างเพียงพอ โอกาสสำหรับการเปลี่ยนแปลง การจัดการทรัพยากรน้ำแบบบูรณาการ แนวทางการจัดการทรัพยากรน้ำแบบบูรณาการเสนอกรอบสำหรับการประสานงานการจัดการน้ำ ที่ดิน และทรัพยากรที่เกี่ยวข้องเพื่อเพิ่มความเป็นอยู่ที่ดีทางเศรษฐกิจและสังคมโดยไม่กระทบต่อความยั่งยืนของระบบนิเวศ นวัตกรรมเพื่อประสิทธิภาพและความเป็นวงกลม เทคโนโลยีเกษตรแม่นยำสามารถลดการใช้น้ำในการเกษตร 20-30% เทคโนโลยีการใช้น้ำซ้ำและรีไซเคิลสร้างระบบน้ำแบบวงกลม น้ำจืดภายในกรอบเศรษฐศาสตร์โดนัท น้ำจืดครอบครองตำแหน่งเฉพาะตัวภายในกรอบเศรษฐศาสตร์โดนัท ปรากฏอย่างชัดเจนทั้งในเพดานนิเวศวิทยา (ในฐานะขอบเขตดาวเคราะห์) และรากฐานทางสังคม (ในฐานะสิทธิมนุษยชน) การใช้กรอบกับการจัดการน้ำจืดต้องพัฒนาตัวชี้วัดและระบบการติดตามที่เหมาะสม ...

ผลกระทบทางนิเวศวิทยาของการไหลบ่าไนโตรเจนและฟอสฟอรัส ยูโทรฟิเคชันและโซนตายในน้ำ ไนโตรเจนและฟอสฟอรัสส่วนเกินจากปุ๋ยเข้าสู่ทางน้ำผ่านการไหลบ่าผิวดิน ก่อให้เกิดยูโทรฟิเคชัน—กระบวนการที่การบานของสาหร่ายทำให้ออกซิเจนละลายหมดไป12 ในอ่าวเม็กซิโก โซนตายขนาดใหญ่ 6,334 ตารางไมล์ยังคงมีอยู่เนื่องจากการไหลบ่าจากการเกษตร34 ในทะเลบอลติก ภาวะขาดออกซิเจนได้ทำลาย 97% ของแหล่งที่อยู่อาศัยพื้นทะเลตั้งแต่ปี 195035 การล่มสลายของความหลากหลายทางชีวภาพ ในแม่น้ำกลูชินกาในโปแลนด์ ความเข้มข้นของไนโตรเจนที่เกิน 20 มก./ล. ทำให้เกิดการลดลงอย่างหายนะ 62% ในความหลากหลายของสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังขนาดใหญ่56 ในอ่าวเชซาพีก การเกษตรแบบเข้มข้นมีส่วนทำให้หญ้าทะเลลดลง 90% ตั้งแต่ทศวรรษ 193046 ผลกระทบต่อสุขภาพมนุษย์ เมธฮีโมโกลบินีเมีย หรือที่เรียกว่า “กลุ่มอาการทารกสีน้ำเงิน” ยังคงเป็นภัยคุกคามอย่างต่อเนื่อง ในปัญจาบ อินเดีย 56% ของบ่อน้ำเกินขีดจำกัดไนเตรทของ WHO ที่ 50 มก./ล.74 การวิจัยได้พิสูจน์ความเชื่อมโยงกับมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักและความผิดปกติของต่อมไทรอยด์87 แนวปฏิบัติทางการเกษตรและความล้มเหลวในการจัดการธาตุอาหาร การใช้ปุ๋ยมากเกินไป ประสิทธิภาพการใช้ปุ๋ยทั่วโลกเฉลี่ยเพียง 33% สำหรับไนโตรเจนและ 18% สำหรับฟอสฟอรัส910 ในแถบมิดเวสต์ของสหรัฐอเมริกา 34% ของไนโตรเจนที่ใส่ยังคงไหลสู่ลุ่มน้ำมิสซิสซิปปี46 ธาตุอาหารตกค้าง การใส่ปุ๋ยมากเกินไปหลายทศวรรษได้สร้างแหล่งกักเก็บธาตุอาหารขนาดใหญ่ในดินเกษตร ในมินนิโซตา การวิเคราะห์ดินเผยให้เห็น 850 กก. N/เฮกตาร์ที่กักเก็บไว้ ซึ่งมีส่วน 38% ของการไหลของไนเตรทประจำปีสู่ทะเลสาบวินนิเพก54 ...