Fertilizer là gì? Các công bố khoa học về Fertilizer

Phân đạm tổng hợp đóng vai trò then chốt trong việc tăng cường sản xuất lương thực và đảm bảo cho một nửa dân số thế giới có đủ thực phẩm. Tuy nhiên, việc sử dụng phân đạm quá mức trong nhiều thập kỷ qua ở nhiều nơi trên thế giới đã góp phần gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí; việc giảm thiểu phát tán và phát thải nitrogen quá mức đang trở thành thách thức môi trường trung tâm của thế kỷ 21. Trung Quốc là quốc gia sản xuất và tiêu thụ phân đạm lớn nhất thế giới nên luôn cần thiết tham gia vào các nỗ lực toàn cầu để giảm phát thải khí nhà kính liên quan đến nitrogen (N). Để đánh giá tác động của việc sử dụng phân đạm tại Trung Quốc, chúng tôi đã lượng hóa dấu chân carbon của chuỗi sản xuất và tiêu thụ phân đạm của Trung Quốc bằng cách sử dụng phân tích vòng đời. Mỗi tấn phân đạm được sản xuất và sử dụng thải ra 13,5 tấn CO₂-tương đương (t CO₂-eq), so với 9,7 t CO₂-eq ở Châu Âu. Phát thải tại Trung Quốc đã tăng gấp ba lần từ năm 1980 [131 terrogram (Tg) của CO₂-eq (Tg CO₂-eq)] đến 2010 (452 Tg CO₂-eq). Phát thải liên quan đến phân đạm đóng góp khoảng 7% tổng phát thải khí nhà kính từ toàn bộ nền kinh tế Trung Quốc và vượt lên nhiều lần so với mức tăng carbon trong đất từ việc sử dụng phân đạm. Chúng tôi đã xác định được tiềm năng giảm phát thải bằng cách so sánh các công nghệ và thực tiễn quản lý hiện tại ở Trung Quốc với các lựa chọn tiên tiến hơn trên toàn thế giới. Các cơ hội giảm thiểu bao gồm cải thiện thu hồi khí methane trong khai thác than, nâng cao hiệu quả năng lượng trong sản xuất phân đạm, và giảm thiểu việc sử dụng thừa đạm trong sản xuất cây trồng cấp đồng ruộng. Chúng tôi nhận thấy rằng việc sử dụng các công nghệ tiên tiến có thể cắt giảm phát thải liên quan đến phân đạm từ 20–63%, tương đương với 102–357 Tg CO₂-eq hàng năm. Việc giảm này sẽ giảm tổng phát thải khí nhà kính của Trung Quốc từ 2–6%, điều này rất quan trọng trên quy mô toàn cầu.

Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nông nghiệp hiện đại, nhưng số phận lâu dài của nitơ từ phân bón trong hệ thống cây trồng - đất - nước vẫn chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu sử dụng chất chỉ thị này cho thấy rằng ba thập kỷ sau khi áp dụng phân bón N có dán nhãn đồng vị vào đất nông nghiệp vào năm 1982, 12–15% N từ phân bón vẫn đang tồn tại trong chất hữu cơ của đất, trong khi 8–12% N từ phân bón đã rò rỉ xuống nước ngầm. Một phần N từ phân bón còn lại vẫn đang tồn tại trong đất dự đoán sẽ tiếp tục được cây trồng hấp thụ và rò rỉ xuống nước ngầm dưới dạng nitrat ít nhất trong năm thập kỷ nữa, lâu hơn nhiều so với dự đoán trước đây.

Cadmium (Cd) là chất ô nhiễm thứ ba có nguy cơ lớn nhất đối với môi trường, chỉ sau thủy ngân và chì, và được coi là kim loại duy nhất gây ra các rủi ro về sức khỏe cho cả con người và động vật ở nồng độ trong mô thực vật mà thường không có độc tính đối với thực vật.

Tóm tắt. Ngoài việc nâng cao năng suất nông nghiệp, việc áp dụng phân bón tổng hợp nitơ (N) và phốt pho (P) trên đất trồng đại trà đã thay đổi đáng kể ngân sách dinh dưỡng toàn cầu, chất lượng nước, sự cân bằng khí nhà kính và các phản hồi của chúng đến hệ thống khí hậu. Tuy nhiên, do thiếu dữ liệu đầu vào phân bón mang tính địa lý, các nghiên cứu hệ thống Trái đất và mô hình bề mặt đất hiện tại phải bỏ qua hoặc sử dụng dữ liệu đơn giản hóa quá mức (ví dụ, sử dụng phân bón đồng nhất và tĩnh) để mô tả đầu vào N và P nông nghiệp trong các giai đoạn kéo dài hàng thập kỷ hoặc thế kỷ. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển dữ liệu lưới chuỗi thời gian toàn cầu về tỷ lệ sử dụng phân bón tổng hợp N và P hàng năm trên đất nông nghiệp, khớp với bản đồ sử dụng đất lịch sử HYDE 3.2, với độ phân giải 0.5° × 0.5° vĩ độ-kinh độ trong giai đoạn 1961–2013. Dữ liệu của chúng tôi chỉ ra rằng tỷ lệ sử dụng phân bón N và P trên một đơn vị diện tích canh tác đã tăng khoảng 8 lần và 3 lần, tương ứng, kể từ năm 1961 khi các cuộc khảo sát của IFA (Hiệp hội Công nghiệp Phân bón Quốc tế) và FAO (Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp) về đầu vào phân bón cấp quốc gia có sẵn. Xét về sự mở rộng đất trồng, sự gia tăng tiêu thụ phân bón tổng thể còn lớn hơn. Điểm nóng của việc áp dụng phân bón nông nghiệp N đã chuyển từ Hoa Kỳ và Tây Âu trong thập niên 1960 đến Đông Á vào đầu thế kỷ 21. Đầu vào phân bón P cho thấy một mô hình tương tự với một điểm nóng hiện tại bổ sung ở Brazil. Chúng tôi nhận thấy sự gia tăng toàn cầu về tỷ lệ N/P phân bón là 0.8 g N/g P mỗi thập kỷ (p<0.05) trong giai đoạn 1961–2013, điều này có thể có ý nghĩa quan trọng toàn cầu đối với tác động của con người lên chức năng hệ sinh thái lâu dài. Dữ liệu của chúng tôi có thể phục vụ như một trong những động cơ quan trọng đầu vào cho các mô hình khu vực và toàn cầu để đánh giá tác động của sự làm giàu dinh dưỡng đến hệ thống khí hậu, nguồn tài nguyên nước, an ninh lương thực, v.v. Các tập dữ liệu có sẵn tại doi:10.1594/PANGAEA.863323.

Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến hiệu suất sử dụng nitơ (N) thấp ở cây trồng là sự bay hơi của amoniac (NH₃) từ phân bón. Thông tin được lấy từ 1667 phép đo sự bay hơi NH₃ được ghi trong 148 tài liệu nghiên cứu đã được tóm tắt để đánh giá ảnh hưởng đến sự bay hơi NH₃ của loại cây trồng, loại phân bón, cùng lượng và cách thức áp dụng, nhiệt độ, cũng như carbon hữu cơ trong đất, kết cấu, pH, CEC, phương pháp đo lường và vị trí đo lường. Bộ dữ liệu đã được tóm tắt theo ba cách: (1) bằng cách tính trung bình cho mỗi yếu tố được đề cập, trong đó các kết quả từ mỗi tài liệu nghiên cứu có trọng số như nhau; (2) bằng cách tính giá trị trung bình có trọng số được điều chỉnh cho các đặc điểm không cân bằng của dữ liệu thu thập; và (3) bằng cách phát triển một mô hình tóm tắt sử dụng hồi quy tuyến tính dựa trên giá trị trung bình có trọng số về sự bay hơi NH₃ và bằng cách tính tổn thất bay hơi NH₃ toàn cầu từ việc áp dụng phân bón với dữ liệu có độ phân giải 0.5° về sử dụng đất và đất đai. Tổn thất trung bình tính được của NH₃ từ việc áp dụng phân N tổng hợp toàn cầu (78 triệu tấn N mỗi năm) và phân động vật (33 triệu tấn N mỗi năm) tương ứng là 14% (10–19%) và 23% (19–29%). Ở các nước đang phát triển, do nhiệt độ cao và việc sử dụng phổ biến urê, amoni sulfat, và amoni bicarbonat, tổn thất bay hơi NH₃ ước tính từ phân bón tổng hợp là 18%, và ở các nước công nghiệp hóa là 7%. Tổn thất ước tính của NH₃ từ phân động vật là 21% ở các nước công nghiệp hóa và 26% ở các nước đang phát triển.

Mối quan hệ giữa dòng nitơ oxit (N₂O) và sự sẵn có của nitơ trong các hệ sinh thái nông nghiệp thường được giả định là tuyến tính, với tỷ lệ nitơ mất như N₂O không đổi bất kể mức đầu vào. Chúng tôi đã thực hiện một nghiên cứu phản ứng phân bón nitơ có độ phân giải cao kéo dài 3 năm tại tây nam Michigan, Mỹ, để kiểm tra giả thuyết rằng dòng N₂O tăng chủ yếu là do sự bổ sung nitơ vượt quá nhu cầu của cây trồng. Chúng tôi đã thêm urê ammonium nitrate hoặc urê hạt tại chín mức khác nhau (0–292 kg N ha⁻¹) vào bốn ô lặp lại của ngô liên tục. Chúng tôi đo dòng N₂O và lượng nitơ sẵn có trong đất hai tuần một lần sau khi bón phân và năng suất hạt vào cuối mùa sinh trưởng. Từ năm 2001 đến 2003, dòng N₂O ở mức bổ sung nitơ đến 101 kg N ha⁻¹, nơi mà năng suất hạt được tối ưu hoá, vào khoảng (ca. 20 g N₂O-N ha⁻¹ ngày⁻¹), sau đó dòng này tăng hơn gấp đôi (lên >50 g N₂O-N ha⁻¹ ngày⁻¹). Phản ứng ngưỡng này của N₂O đối với việc bón phân nitơ gợi ý rằng việc giảm dòng N₂O nông nghiệp có thể đạt được mà không hoặc ít ảnh hưởng đến năng suất bằng cách giảm đầu vào phân bón nitơ xuống các mức chỉ đáp ứng nhu cầu của cây trồng.